Сталь растяжение и сжатие

Обновлено: 06.05.2024

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.

Растяжение-сжатие.

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" =)

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.

Деформации при растяжении-сжатии.

Рассмотрим деформации, возникающие при растяжении (сжатии) стержня (рис.6, а). Под действием силы F брус удлиняется на некоторую величину Δl называемую абсолютным удлинением, или абсолютной продольной деформацией, которая численно равна разности длины бруса после деформации l₁ и его длины до деформации l

Отношение абсолютной продольной деформации бруса Δl к его первоначальной длине l называют относительным удлинением, или относительной продольной деформацией:

При растяжении продольная деформация положительна, а при сжатии – отрицательна. Для большинства конструкционных материалов на стадии упругой деформации выполняется закон Гука (4), устанавливающий линейную зависимость между напряжениями и деформациями:

где модуль продольной упругости Е, называемый еще модулем упругости первого рода является коэффициентом пропорциональности, между напряжениями и деформациями. Он характеризует жесткость материала при растяжении или сжатии (табл. 1).

Модуль продольной упругости для различных материалов

Абсолютная поперечная деформация бруса равна разности размеров поперечного сечения после и до деформации:

Соответственно, относительную поперечную деформацию определяют по формуле:

При растяжении размеры поперечного сечения бруса уменьшаются, и ε ' имеет отрицательное значение. Опытом установлено, что в пределах действия закона Гука при растяжении бруса поперечная деформация прямо пропорциональна продольной. Отношение поперечной деформации ε ' к продольной деформации ε называется коэффициентом поперечной деформации, или коэффициентом Пуассона μ:

Экспериментально установлено, что на упругой стадии нагружения любого материала значение μ = const и для различных материалов значения коэффициента Пуассона находятся в пределах от 0 до 0,5 (табл. 2).

Абсолютное удлинение стержня Δl прямо пропорционально продольной силе N:

Данной формулой можно пользоваться для вычисления абсолютного удлинения участка стержня длиной l при условии, что в пределах этого участка значение продольной силы постоянно . В случае, когда продольная сила N изменяется в пределах участка стержня, Δl определяют интегрированием в пределах этого участка:

Произведение (Е·А) называют жесткостью сечения стержня при растяжении (сжатии).

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; σ_п - предел пропорциональности; σ_уп - предел упругости; σ_т - предел текучести; σ_в - предел прочности (временное сопротивление); ε_ост - остаточная деформация после снятия внешних нагрузок. Для материалов, не имеющих ярко выраженную площадку текучести, вводят условный предел текучести σ_0,2 - 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 σ_т глянцевая поверхность стержня становится немного матовой – на его поверхности появляются микротрещины (линии Людерса-Чернова), направленные под углом 45° к оси стержня.

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 σ_пред - предельное напряжение (σ_пред = σ_т - для пластических материалов и σ_пред = σ_в - для хрупких материалов); [n] - коэффициент запаса прочности. Для пластических материалов [n] = [n_т] = 1,2 … 2,5; для хрупких материалов [n] = [n_в] = 2 … 5, а для древесины [n] = 8 ÷ 12.

Расчеты на прочность при растяжении и сжатии.

Целью расчета любой конструкции является использование полученных результатов для оценки пригодности этой конструкции к эксплуатации при минимальном расходе материала, что находит отражение в методах расчета на прочность и жесткость.

Условие прочности стержня при его растяжении (сжатии):

При проектном расчете определяется площадь опасного сечения стержня:

При определении допускаемой нагрузки рассчитывается допускаемая нормальная сила:

Расчет на жесткость при растяжении и сжатии.

Работоспособность стержня определяется его предельной деформацией [ l ]. Абсолютное удлинение стержня должно удовлетворять условию:

Часто дополнительно делают расчет на жесткость отдельных участков стержня.

Следующая важная статья теории:
Изгиб балки

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).

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

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

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.

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.

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:

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

Механические свойства стали во многом определяют то, в каких сферах она применяется. Именно поэтому мы можем отнести их к наиболее важным. Такие качества, как высокая прочность и способность значительно изменять форму, дают возможность применять металл практически везде: от изготовления хирургических инструментов до космической отрасли.

Для определения данных параметров применяются различные методы. Кроме того, они учитывают механические свойства не только сталей, но и их сплавов, благодаря чему данные металлы можно с уверенностью назвать универсальными и удобными в работе. О том, какие параметры данных материалов позволяют применять их в самых разнообразных сферах, поговорим далее.

Состав стали

Основными компонентами стали являются железо и углерод, на долю последнего приходится до 2,14 %. Все существующие на данный момент подобные сплавы классифицируют, исходя из их химического состава.

В производстве используются два вида стали:

Углеродистая, в состав которой, помимо основных составляющих, входят фосфор, сера, марганец, кремний. Сырье может относиться к высоко-, средне- и низколегированным маркам в соответствии с долей углерода в материале. Такой металл подходит для любых нужд, в том числе для изготовления инструмента, эксплуатируемого в условиях высоких нагрузок под постоянным напряжением.
Легированная содержит в себе железо, углерод в сочетании с легирующими элементами (такими как кремний, бор, азот, хром, цирконий, ниобий, вольфрам, титан). От состава легированной стали зависят ее механические и иные свойства, цена, качество продукции, сферы возможного применения. Сегодня можно найти жаропрочные, цементуемые, улучшаемые стали. По структуре специалисты выделяют сырье доэвтектоидного, ледебуритного, эвтектоидного и заэвтектоидного типа.

Определить химические и механические свойства стали, а также область ее использования позволяет марка.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

В процессе производства в сталь вносят примеси. На основании их доли в составе сплава выделяются два типа продукции:

Обыкновенного качества, что предполагает наличие до 0,6 % углерода и соответствие металла ГОСТ 14637 и ГОСТ 380-94. Для маркировки подобной продукции используются буквы «Ст» – данное сокращение говорит о том, что сталь имеет стандартное качество. Такое сырье входит в число наиболее доступных по цене.
Качественная сталь, то есть легированная и углеродистая, которая производится по ГОСТ 1577. Маркировка обязательно содержит в себе особенности состава, количество углерода в сотых долях. Данный материал более дорогой, чем аналог обыкновенного качества, его ценят за высокую пластичность, способность противостоять механическому воздействию. Кроме того, подобный металл можно без труда варить.

Физические, химические и технологические свойства стали

Физические свойства:

Плотность, которая определяется как масса металла на единицу объема. Высокий данный показатель стальных изделий, в том числе арматуры а500с, позволяет активно использовать их для строительных нужд.
Теплопроводность, то есть способность стали обеспечивать распространение теплоты от более нагретых частей к менее нагретым.
Электропроводность – способность материала пропускать электрический ток.

Химические свойства:

Окисляемость, что предполагает возможность соединения металла кислородом. Данное свойство усиливается при нагревании стали. На сплавах, имеющих малую долю углерода, в процессе окисления под действием воды, влажного воздуха формируется ржавчина, то есть оксиды железа.
Стойкость к коррозии – способность металла не вступать в химические реакции, не окисляться.
Жаростойкость представляет собой отсутствие окислительных процессов на сплаве под воздействием высокой температуры, а также способность не образовывать окалину.
Жаропрочность – сохранение сталью прочности в условиях высокой температуры.

Технологические свойства:

Ковкость, то есть способность материала принимать заданную форму под действием внешних сил.
Обрабатываемость резанием – важное свойство стали, которое упрощает производство металлопроката, так как данный металл хорошо поддается обработке режущим инструментом.
Жидкотекучесть – способность расплава проникать в узкие зазоры, заполнять пространство.
Свариваемость – позволяет осуществлять эффективные сварочные работы, формируя надежное неразъемное соединение, лишенное дефектов.

Механические свойства стали по ГОСТу

Прочность

От данной характеристики зависит, сможет ли металл не разрушиться под действием больших внешних нагрузок. Это механическое свойство стали измеряется количественно при помощи предела текучести и прочности:

Пределом прочности называют максимальное механическое напряжение, при превышении которого происходит разрушение сплава.
Предел текучести, то есть степень механического напряжения. Превышение данного показателя вызывает дальнейшее растяжение металла без дополнительной нагрузки.

Так, при небольших деформациях металлический стержень сохраняет упругость, возвращаясь к исходной длине после снятия приложенного напряжения. Если же напряжение оказывается выше предела текучести, наблюдается пластическая деформация изделия. Иными словами – происходит необратимое удлинение стержня, после которого он не способен вернуться к исходной длине.

Растяжение стержня до разрыва позволяет установить максимальное напряжение, то есть предел прочности материала на разрыв.

Пластичность

Данное механическое свойство стали позволяет ей под действием внешней нагрузки менять форму и потом сохранять ее. Для количественной оценки этого показателя измеряют удлинение при растяжении и угол изгиба. Если во время простого испытания на изгиб металл разрушается при большом пластическом прогибе, его признают пластичным. В противном случае речь идет о хрупком сплаве.

Хорошая пластичность проявляется при испытании растяжением в виде значительного удлинения заготовки либо ее сжатия. Под удлинением понимают увеличения длины в процентном выражении после разрушения до первоначальной длины. А сужение в процентах – это сокращение площади изделия в сравнении с исходным объемом.

Вязкость

Еще одно важное механическое свойство стали, которое подразумевает способность материала справляться с динамическими нагрузками. Его оценивают количественно как отношение работы, необходимой для разрушения образца, к площади его поперечного сечения. Чаще всего понятием «вязкость» обозначают уровень, при котором происходит нехрупкое разрушение металла.

Характер разрушения может быть хрупким или пластичным – разница между этими явлениями наиболее ярко прослеживается на примере ферритных стальных сплавов. Ферритные стали и все металлы, обладающие объемно-центрированной кубической атомной решеткой, имеют общую особенность: при низких температурах им свойственен хрупкий характер разрушения, а при высоких – пластичный. Температуру перехода из одного состояния в другое специалисты обозначают как температуру вязко-хрупкого перехода.

Маркировка сталей

В машиностроении высоко ценятся механические свойства конструкционной, то есть углеродистой и легированной стали, а также высоколегированных нержавеющих сталей. При обозначении марок конструкционной легированной стали (ГОСТ 4543) первые две цифры свидетельствуют о среднем содержании углерода, которое указывается в сотых долях процента.

Буквы в маркировке имеют такую расшифровку:

Р – бор;
Ю – алюминий;
С – кремний;
Т – титан;
Ф – ванадий;
Х – хром;
Г – марганец;
Н – никель;
М – молибден;
В – вольфрам.

После буквы идут цифры, которые обозначают примерное содержание легирующего элемента в целых единицах процента. Если цифр нет, то доля конкретного вещества в металле не превышает 1,5 %. Буква «А» в конце маркировки является признаком высококачественной стали. Показателем особенно высококачественной стали является буква «Ш» через три тире.

Механические свойства нержавеющих высоколегированных сталей (ГОСТ 5632) зависят от перечисленных далее компонентов. При маркировке они обозначаются таким образом:

А – азот;
В – вольфрам;
Д – медь;
М – молибден;
Р – бор;
Т – титан;
Ю – алюминий;
Х – хром;
Б – ниобий;
Г – марганец;
Е – селен;
Н – никель;
С – кремний;
Ф – ванадий;
К – кобальт;
Ц – цирконий.

После букв идут цифры, отражающие долю легирующего элемента в составе сплава в процентах.

Для фиксации основных механических свойств сталей применяют следующие обозначения:

E – модуль упругости. Представляет собой коэффициент пропорциональности между нормальным напряжением и относительным удлинением.
G – модуль сдвига, также известный как модуль касательной упругости. Это коэффициент пропорциональности между касательным напряжением и относительным сдвигом.
μ – коэффициент Пуассона. Является абсолютным значением отношения поперечной к продольной деформации в упругой области.
σт – условный предел текучести, то есть напряжение, при котором после снятия нагрузки остаточная деформация находится на уровне 0,2 %.
σв – временное сопротивление, известное как предел прочности. Представляет собой такое механическое свойство металла, в том числе углеродистой стали, как прочность на разрыв.
δ – относительное удлинение. Это отношение абсолютного остаточного удлинения образца после разрыва к начальной расчетной длине.
HB, HRC, HV – твердость.

Таблица механических свойств сталей разных марок

Далее представлены механические свойства стали после термической обработки.

E = 200. 210 ГПа, G = 77. 81 ГПа, коэффициент Пуассона μ = 0,28. 0,31.

Наименование

Параметры термической обработки

Предел прочности σв, МПа

Предел текучести σт, МПа

Калибровка после отжига и отпуска

После отжига и отпуска

Пруток, закалка +860 °C, отпуск +500 °C в воде, масле

Пруток, закалка и отпуск

Пруток, закалка +1020…+1 100 °C на воздухе, в масле, воде

Влияние углерода на механические свойства стали

Механические свойства углеродистой стали определяются в первую очередь количеством углерода в составе сплава. При увеличении его доли возрастает объем цементита, сокращается величина феррита. Иными словами, повышаются прочность и твердость, снижается пластичность.

Стоит оговориться, что прочность становится выше при доле углерода в пределах 1 %, а при переходе этой отметки показатель уменьшается. Данная особенность объясняется тем, что по границам зерен в заэвтектоидных сталях образуется сетка вторичного цементита, которая негативно отражается на прочности материала.

Рост доли углерода приводит к увеличению количества цементита, а он является очень твердой и хрупкой фазой. Превосходит феррит по твердости примерно в 10 раз, имея показатель 800HB против 80HB. Вот почему увеличение содержания углерода позволяет повысить такие механические свойства стали, как прочность и твердость, и снизить пластичность, вязкость.

Когда количество углерода доходит до 0,8 %, возрастает доля перлита в сплаве от 0 % до 100 %, вызывая повышение твердости, прочности. Однако не стоит забывать, что последующий рост количества углерода вызывает образование вторичного цементита по границам перлитных зерен. Это явление мало влияет на твердость, но негативно сказывается на прочности, так как цементитная сетка очень хрупкая.

Повышение доли углерода отражается не только на механических, но и на физических свойствах стали. Снижается плотность, теплопроводность, магнитная проницаемость, тогда как удельное электросопротивление, коэрцитивная сила увеличиваются.

С ростом количества углерода происходит повышение порога хладноломкости, а именно: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20є. Поэтому сталь с долей углерода в 0,4 % при нулевой температуре становится хрупкой, из-за чего считается недостаточно надежной.

В железоуглеродистом сплаве содержится преимущественно связанный углерод в форме цементита. Тогда как в чугунах он присутствует в свободном состоянии в виде графита. Увеличение доли данного компонента приводит к изменению свойств металла: возрастает твердость, прочность, снижается пластичность.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Читайте также: