Прочность на растяжение (МПа). Сталь и ее основные свойства Формирование понятия о пределе прочности металлов

Большая Энциклопедия Нефти и Газа. Прочность сталь

Предел прочности стали при сжатии и растяжении

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

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.

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.

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.

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%.

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:

Хром. Применяется для повышения прокаливаемости и твердости. Доля – 0,8-0,2%.
Бор. Улучшает хладноломкость и радиационную стойкость. Доля – 0,003%.
Титан. Добавляется для улучшения структуры Cr-Mn сплавов. Доля – 0,1%.
Молибден. Повышает прочностные характеристики и коррозионную стойкость, снижает хрупкость. Доля – 0,15-0,45%.
Ванадий. Улучшает прочностные параметры и упругость. Доля – 0,1-0,3%.
Никель. Способствует росту прочностных характеристик и прокаливаемости, однако при этом ведет к увеличению хрупкости. Этот эффект компенсируют одновременным добавлением молибдена.

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.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

stankiexpert.ru

Предел прочности металлов:: SYL.ru

Предел прочности – максимальное напряжение, которому может подвергаться материал до момента его разрушения. Если говорить о данном показателе по отношению к металлам, то здесь он равен соотношению критической нагрузки к площади его поперечного сечения при проведении теста на разрыв. В целом же прочность показывает, какая сила требуется для преодоления и разрыва внутренних связей между молекулами материала.

Каким образом производится испытание на прочность?

Тестирование металлов на прочность выполняется при помощи специализированных механизмов, которые позволяют устанавливать необходимую мощность при испытаниях на разрыв. Состоят такие машины из специального нагружающего элемента, с помощью которого создается необходимое усилие.

Оборудование для испытания металлов на прочность дает возможность производить растяжение тестируемых материалов и устанавливать определенные величины усилия, которое прилагается к образцу. На сегодняшний день существуют гидравлические и механические типы механизмов для испытания материалов.

Виды пределов прочности

Предел прочности является одним из основных свойств материалов. Информация о предельной прочности тех или иных материалов является крайне важной при необходимости определения возможностей их применения в тех или иных промышленных сферах.

Выделяют несколько отдельных пределов прочности материалов:

при сжатии;
при изгибе;
при кручении;
при растяжении.

Формирование понятия о пределе прочности металлов

О пределе прочности в свое время говорил еще Галилей, который определил, что гранично-допустимый предел сжатия и растяжения материалов зависит от показателя их поперечного сечения. Благодаря исследованиям ученого возникла ранее неизведанная величина – напряжение разрушения.

Современное учение о прочности металлов сформировалось в средине XX века, что было необходимо исходя из потребности в разработке научного подхода для предотвращения возможных разрушений промышленных сооружений и машин во время их эксплуатации. До этого момента при определении прочности материала учитывалась лишь степень его пластичности и упругости и совершенно не учитывалась внутренняя структура.

Сталь является основным сырьевым материалом в большинстве промышленных сфер. Широко применяется она в строительстве. Именно поэтому для выполнения конкретных задач очень важно заблаговременно подбирать высококачественный, действительно подходящий тип стали. От правильного расчета предела прочности определенной марки стали напрямую зависит результат и качество выполненных работ.

Как пример можно привести несколько значений предельных показателей прочности сталей. Данные значения основаны на требованиях государственных стандартов и представляют собой рекомендуемые параметры. Так, для изделий, отлитых из конструкционной нелегированной стали, предусмотрен стандарт ГОСТ 977-88, согласно которому, предельное значение прочности при испытании на растяжение составляет порядка 50-60 кг/мм2, что равняется примерно 400-550 МПа. Аналогичная марка стали после прохождения процедуры закалки приобретает значение сопротивления на растяжение более 700 МПа.

Объективный предел прочности стали 45 (или любой другой марки материала, в равной степени как и железа или чугуна, а также остальных сплавов металла) зависит от целого ряда факторов, которые должны определяться исходя из поставленных задач, что ложатся на материал при его применении.

Прочность меди

В обычных условиях комнатной температуры отожженная техническая медь обладает пределом прочности порядка 23 кг/мм2. При значительных температурных нагрузках на материал его предельная прочность существенно снижается. На показателях предельной прочности меди отражается наличие в металле всевозможных примесей, которые могут как повышать данный показатель, так и приводить к его снижению.

Прочность алюминия

Отожженная фракция технического алюминия при комнатной температуре отличается пределом прочности до 8 кг/мм2. Повышение чистоты материала увеличивает его пластичность, но отражается на снижении прочности. В качестве примера можно взять алюминий, показатель чистоты которого составляет 99,99%. В данном случае предельная прочность материала достигает около 5 кг/мм2.

Уменьшение предела прочности алюминиевой тестовой заготовки наблюдается при ее нагревании во время проведения испытаний на растяжение. В свою очередь, снижение температуры металла в пределах от +27 до -260оС временно повышает исследуемый показатель в 4 раза, а при испытании фракции алюминия высочайшей чистоты – в целых 7 раз. В то же время несколько повысить прочность алюминия можно методом его легирования.

Прочность железа

На сегодняшний день методом промышленной и химической обработки удалось получить нитевидные кристаллы железа с пределом прочности до 13 000 Мпа. Наряду с этим, прочность технического железа, которое широко применяется в самых разнообразных сферах, составляет близко 300 МПа.

Естественно, каждый образец материала при его исследовании на уровень прочности обладает своими дефектами. На практике доказано, что реальная объективная предельная прочность любого металла, независимо от его фракции, меньше по сравнению с данными, полученными в ходе теоретических расчетов. Данную информацию необходимо обязательно принимать во внимание при выборе определенного типа и марки металла для выполнения конкретных задач.

www.syl.ru

Углеродистые стали

Углеродистая конструкционная сталь. В соответствии с имеющимися стандартами углеродистая конструкционная сталь делится на:

сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380-50)
сталь качественную (ГОСТ 1050-52).

Сталь обыкновенного качества

Сталь обыкновенного качества согласно ГОСТ 380-50 делится на две группы (А и В).

Стали группы А

Группа А объединяет марки по механическим свойствам, гарантируемым заводом-поставщиком; химический состав стали в этой группе ГОСТ не оговаривается, и завод-поставщик не несет за него ответственности.

Сталь группы А маркируется следующим образом:

и т.д. до Ст. 7.

Предел прочности на разрыв у стали:

Ст. 0-32-47 кг/мм2,

у Ст. 1- 32-40 кг/мм2,

у Ст. 2-34-42 кг/мм2.

У сталей Ст. 3, Ст. 4, Ст. 5, Ст. 6 и Ст. 7 примерно соответствует цифре, определяющей марку стали (в десятках кг/мм2).

Например, у Ст. 6 минимальное значение предела прочности составит около 60 кг/мм2.

Стали группы А обычно используются для изготовления изделий, применяемых без термической обработки:

проволока,
балки и т.д.

Стали группы В

Для стали группы В регламентируется химический состав и указывается способ изготовления:

М - мартеновская;

Б - бессемеровская,

Т - томасовская)

В этой группе установлены следующие марки сталей:

и т.д. до сталей М Ст. 7, Б Ст. 0, Б Ст. 3, Б Ст. 4, Б Ст. 5, Б Ст. 6.

Стали группы В используются для изготовления деталей обыкновенного качества:

Марки и состав мартеновской стали приведены в табл. 3.

Продолжение классификации углеродистой стали читайте в следующей статье.

www.conatem.ru

Прочность - сталь - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Прочность - сталь

Cтраница 1

Прочность сталей должна быть в пределах 50 - 90 кг / мм2, кроме того, они должны быть жароупорными, чтобы при 290 указанная прочность существенно не понижалась. Допуски при изготовлении насосиков очень невелики, порядка 0 003 мм.

Прочность стали может быть повышена при легировании медью за счет упрочнения твердого раствора, дополнительного измельчения зерна, а при более высоких концентрациях до 0 8 % за счет дисперсионного упрочнения. Одновременно может быть снижена критическая температура хрупкости.

Прочность сталей (за некоторым исключением) повышается при низком отпуске. При этом, однако, растет и хрупкость. Чем выше давление, на которое рассчитывают аппарат, тем строже требования к термообработке.

Прочность сталей значительно изменяется при переходе к высоким температурам. Так, например, предел прочности при разрыве хромоникелевой стали типа 18 - 8 падает с 70 до 40 кГ / мм.

Прочность стали может значительно изменяться при длительной эксплуатации в условиях повышенных и высоких температур. Изменение прочности вызывается неустойчивостью структуры, которая проявляется в развитии процессов сферо-идизации и графитизации.

Прочность сталей (за некоторыми исключениями) повышается при низком отпуске. При этом, однако, растет и хрупкость.

Прочность сталей при высоких температурах меняется довольно сильно.

Прочность стали / Сер, Успехи довременного метйлловеденип.

Прочность стали 7ХГ2ВМ примерно на 20 % выше прочности сталей с 6 - 12 % Сг в неболыцих сечениях (ствм 315 325 кГ / мм при HRC 57 - 56) и значительно выше - в больших сечениях.

Прочность сталей при асимметричном цикле нагружения зависит как от механических свойств материала, так и от концентраторов напряжения. Поэтому при расчете на усталостную прочность деталей машин необходимо учитывать влияние асимметрии цикла на его предельную амплитуду в зависимости от механических свойств материала, концентраторов напряжения и среды, в которой они эксплуатируются.

Прочность стали может достигать - 1600 МПа, если перед старением ее подвергнуть холодной пластической деформации.

Прочность сталей с понижением температуры постепенно возрастает, при этом по-разному сказывается наличие отдельных компонентов.

Прочность стали может достигать - - 1600 МПа, если перед старением ее подвергнуть холодной пластической деформации.

www.ngpedia.ru

Сталь - группа - прочность

Cтраница 1

Сталь группы прочности Д применяется для изготовления элементов бурильной колонны: ведущих труб и их переводников, бурильных труб и муфт к ним, утяжеленных бурильных труб, переводников для бурильных колонн, трубных заготовок стыко-сварных бурильных труб.

Принимаем сталь группы прочности С, толщину стенки труб 9 мм.

Трубы из стали группы прочности Е в основном используют крепления эксплуатационных скважин с температурой на устье 120 - 220 С. По сравнению с трубами из стали марки Д трубы из легированных сталей обладают большей коррозионностойкостью и прочностью, изготовляются бесшовными с одинаковой толщиной стенок по всей длине труб.

Трубы из стали группы прочности Д поставляют нормализованными; трубы, изготовленные из стали марки 36Г2С, - нормализованными или закаленными с высоким отпуском, а трубы из стали марок 40Х и ЗОХГС - закаленными с высоким отпуском.

МПа для стали группы прочности Д, 3430 МПа для групп прочности К и Е и 2450 МПа для групп прочности Л и М; Л - рабочая высота профиля резьбы, равная 0 12 см; [ i.

Химический состав стали группы прочности Д не регламентирован, лишь содержание серы и фосфора должно быть не более 0 045 % каждого элемента.

Химический состав сталей группы прочности Н-40, J-55, N-80 (аналог группы прочности стали Е) и Р-105 (группа прочности ] Vl) в стандартах не указывается.

Химический состав сталей группы прочности Н-40, J-55, N-80 и Р-105 в стандартах не указывается.

Испытание образцов из стали группы прочности Д на повторно-переменный изгиб с одновременным приложением постоянных касательных напряжений показало, что последние не влияют на предел выносливости.

Трлбы изготовляются из стали группы прочности от включительно.

Обсадные трубы из стали группы прочности 11 - 40 но подвергаются термической обработке. При производстве труб in стали группы прочности N-80 закалку и отпуск применяют более широко, чем нормализацию.

Страницы: 1 2 3 4

www.ngpedia.ru

Увеличение - прочность - сталь

Cтраница 1

Увеличение прочности стали при низких температурах было использовано u при конструировании аппарата для получения давления в 100 000 ат, работавшего при температуре жидкого воздуха.

С увеличением прочности стали обычно повышается чувствительность ее к концентрации напряжений, обусловленных формой сварных соединений. Поэтому для повышения работоспособности тяжелонагруженных сварных конструкций из низколегированных сталей с временным сопротивлением свыше 600 МПа прибегают к механической обработке поверхности металла швов. В практике такая операция находит широкое распространение и обычно выполняется абразивными кругами или фрезами. Наибольший эффект достигается при зачистке легкодоступных стыковых швов заподлицо с основным металлом.

При увеличении прочности стали проявление адсорбционного эффекта усиливается (Лобойко В.И. и др. [ 35, с. Особенностью сдвиговых процессов при адсорбционной усталости железа является почти мгновенное вступление в действие значительно большего, чем при испытании в воздухе, числа плоскостей скольжения, а также увеличение их ширины и плотности. Адсорбционное снижение поверхностной энергии дает возможность развиваться тем дефектам кристаллической решетки, которые при деформации металла в воздухе не в состоянии преодолеть энергетический барьер.

При увеличении прочности стали (кривые / / и / / /) наблюдается заметное уменьшение площадки текучести, а для некоторых сталей полное ее отсутствие. Это свойство снижает надежность стали, увеличивая ее склонность к хрупкому разрушению.

Хром способствует увеличению прочности стали, ее твердости и сопротивляемости износу.

Хром способствует увеличению прочности стали, повышает сопротивляемость износу, а с повышением содержания углерода сообщает стали высокую твердость. Низко - и среднелегированная хромистые стали образуют группу шарикоподшипниковых сталей, а также широко применяются для изготовления осей, валов, зубчатых колес, инструмента. Высоколегированная хромистая сталь является нержавеющей, обладает высокой коррозионной стойкостью, сохраняет прочность при повышенной температуре и способна выдерживать длительные и высокие нагревы без образования окалины.

Чувствительность стали к надрезу возрастает с увеличением прочности стали. Наибольшее возрастание коэффициента чувствительности к надрезу по абсолютной величине получается при наличии мягких надрезов и малом коэффициенте концентрации напряжений, тогда как наибольшее возрастание по относительной величине происходит при наличии острых надрезов и большом коэффициенте концентрации напряжений. С увеличением радиуса дна надреза чувствительность к надрезу возрастает, причем в области малых радиусов это возрастание происходит особенно интенсивно.

Для металла шва и переходной зоны наблюдается завышение экспериментальных данных по сравнению с расчетными, однако с увеличением прочности стали эта разница уменьшается. Для целого сварного соединения имеет место резкое различие между полученными данными по разрушению и расчетной кривой усталости.

Наличие феррита, не содержащего углерода из затвердевшего раствора, наличие легирующих элементов Сг, Мо, Ti способствуют увеличению прочности стали при повышенных нагрузках.

Влияние натрия на усталость более сложное, так как при науглероживании он, с одной стороны, улучшает сопротивление усталостным нагрузкам с увеличением прочности стали, но в то же время ухудшает его при уменьшении пластичности. При обезуглероживании наблюдается обратная картина.

Малоуглеродистые низколегированные мягкие стали подвергаются коррозионному растрескиванию в нагретых растворах щелочей, нитратов, растворах синильной кислоты, сероводородсодержащих средах и др. Обычно с увеличением прочности сталей их сопротивление коррозионному растрескиванию понижается. Особенно низкое сопротивление коррозионному растрескиванию имеют низколегированные высокопрочные конструкционные стали со структурой низкоотпущенного мартенсита.

Увеличение прочности стали наблюдается только при содержании углерода до 1 %, при содержании углерода выше 1 % в структуре появляется вторичный цементит.

С увеличением прочности сталей, используемых в качестве основного металла, удовлетворить этому требованию становится все труднее. В связи с этим целесообразно делать кольцевые швы сосудов менее прочными, чем основной металл. Относительно малая ширина кольцевых швов и благоприятная схема напряженного состояния в цилиндрической оболочке показывает, что снижение прочности металла швов по отношению к основному металлу не влияет на прочность конструкции в целом.

Страницы: 1 2

www.ngpedia.ru

Предел - прочность - сталь

Cтраница 1

Предел прочности стали при повышении температуры, как правило, сна-чала повышается и при температуре 250 - 300 достигает своей наибольшей величины, примерно на 20 - 25 / 0 превышающей величину предела прочности при комнатной температуре. При дальнейшем увеличении температуры величина предела прочности резко уменьшается. Так, например, для малоуглеродистой стали при 600 величина предела прочности составляет только около 40 / 0 величины предела прочности той же стали при комнатной температуре.

Предел прочности стали при повышении температуры, как правило, сначала повышается и при температуре 250 - 300 достигает своей наибольшей величины, примерно на 20 - 25 % превышающей величину предела прочности при комнатной температуре. При дальнейшем увеличении температуры величина предела прочности резко уменьшается. Так, например, для малоуглеродистой стали при 600 величина предела прочности составляет только около 40 % величины предела прочности той же стали при комнатной температуре.

Предел прочности стали при повышении температуры, как правило, сначала увеличивается и при температуре 250 - 300 С достигает своей наибольшей величины, примерно на 20 - 25 / 6 превышающей величину предела прочности при комнатной температуре. При дальнейшем увеличении температуры предел прочности резко уменьшается. Так например, для малоуглеродистых сталей при 600 С величина предела прочности составляет только около 40 % величины предела прочности той же стали при комнатной температуре.

Предел прочности стали изменяется в зависимости от температуры. С изменением температуры увеличивается внутреннее давление сжиженного газа.

Предел прочности стали, как и ее твердость в низко - и среднеотпущенном состоянии, определяется в основном содержанием углерода и от легирующих элементов практически не зависит. Коэффициент упрочнения после низкого отпуска также практически не зависит от легирования и определяется содержанием углерода в твердом растворе.

Предел прочности стали при повышении температуры, как правило, сначала повышается и при температуре 250 - 350 достигает своей наибольшей величины, примерно на 20 - 25 % превышающей величину предела прочности при комнатной температуре. При дальнейшем увеличении температуры величина предела прочности ов резко уменьшается. Так, например, для малоуглеродистой стали при 600 величина предела прочности составляет только около 40 % величины предела ее прочности при комнатной температуре.

Предел прочности высюкоуглеродистых сталей, обработанных на высокую твердость, при криогенных температурах практически сохраняется неизменным. Это находится в полном соответствии с известной схемой хладноломкости А. Ф. Иоффе, предусматривающей неизменность сопротивления отрыву от температуры испытания. Учитывая, что при комнатных температурах разрушение твердых высокоуглеродистых сталей происходит от отрыва, есть все основания считать, что их работоспособность при низких, в том числе криогенных температурах, не йэменится.

Предел прочности сталей типа 18 - 8, испытанных в течение двух лет в промышленных атмосферах и в течение одного года в морской атмосфере (250 м от берега океана), не изменился.

Если предел прочности стали неизвестен, но известна или может быть оперативно определена его твердость по Бринеллю, то с достаточной степенью точности предел прочности можно определить по уравнению ав 0 31 НВ.

Влияние предела прочности стали на ее выносливость в коррозионных средах, как видно из фиг.

При дрессировке предел прочности стали повышается очень незначительно, твердость несколько возрастает, а относительное удлинение уменьшается. Что касается условного предела текучести, то его изменение при дрессировке носит сложный характер. Так, для малоуглеродистых сталей предел текучести при степени деформации от 0 5 до 1 2 % уменьшается, а при дальнейшем увеличении степени деформации начинает возрастать.

Однако повысить предел прочности сталей до значений 280 - 300 кГ / мм2 при использовании этого способа термомеханической обработки пока не удается.

Твердость характеризует предел прочности сталей (кроме аустенитной и мартенситной структур) и многих цветных сплавов. Указанная количественная зависимость обычно не наблюдается у хрупких материалов, которые при испытаниях на растяжение (сжатие, изгиб, кручение) разрушаются без заметной пластической деформации, а при измерении твердости получают пластическую деформацию. По значениям твердости определяются некоторые пластические свойства металлов.

Страницы: 1 2 3 4

www.ngpedia.ru

Когда материал растягивают в разные стороны, возникает стресс растяжения, и в результате материал разрывается. Предельное значение силы, при которой происходит разрыв, называется пределом прочности на растяжение (прочность на разрыв).

Предел прочности на растяжение измеряют у таких материалов, как сплавы, композиты, керамические материалы и пластики. Он измеряется в МПа, это сила, приложенная к площади, т.е. кг/см 2 . Чем выше это значение, тем материал более устойчив к усилиям на растяжение.

Во время испытания перед разрушением материал проходит «стадию колокола» (см. рис. 2).

Это испытание помогает понять прочность материала.

3. Модуль эластичности (ГПа) / Модуль Е / Модуль Юнга / Модуль гибкости.

Свойства твердости и упругости материалов измеряются в ГПа.

Модуль эластичности отражает сопротивление материала внешней нагрузке, в данном случае на изгиб. С материалом не происходит необратимой деформации, после устранения внешней нагрузки он возвращается в исходное состояние. То есть в данном случае, в отличие от других испытаний, материал не разрушается.

Трех-точечный тест на изгиб. Брусок материала устанавливается на 2 опоры и прикладывают к нему силу F (рис. 7 и 8).

Нагрузка увеличивается только до того момента, когда материал начинает изгибаться (см. рис. 9). Чем выше это значение, тем материал более жесткий.


Рис. 8	Рис. 9

Жесткость важна при выборе реставрационного материала, поскольку совсем не нужно, чтобы материал существенно отклонялся под воздействием нагрузки. Типичный пример, это внутрипульпарные штифты. Его жесткость должна соответствовать жесткости дентина.

Для эластичных оттискных материалов желательны, напротив, малые значения, поскольку в этом случае оттиск будет легко извлекаться изо рта пациента.

Прочность на изгиб (МПа)

Для ее измерения также используется трех-точечный тест. В данном случае нагрузка прикладывается, пока материал не разрушится (см. Рис. 11).

Прочность на изгиб – это способность материала быть устойчивым к переломам при нагрузке. Она измеряется в МПа, мегапаскалях.


Рис. 10	Рис. 11

Данное испытание напоминает нагрузку на мост. Высокое значение прочности на изгиб означает, что мост обладает высокой устойчивостью к перелому.

5. Предел усталости – циклические нагрузки

Сначала проводится испытание на прочность на изгиб для определения предельной прочности материала (МПа). Затем берется нагрузка ниже, чем вышеуказанный предел прочности. В той же конфигурации трех-точечной нагрузки последовательно циклически нагружается материал. Затем отмечают, сколько циклов выдерживает материал до поломки.

Данный тест имитирует жевательные нагрузки на мост. Чем больше циклов выдерживает материал, тем лучше.


Рис. 12	Рис. 13

Рис. 14	Рис. 15

Усталость материалов. При воздействии большого числа циклических нагрузок на протез может наступить разрушение материала. Разрушающее напряжение (предел усталости) оказывается при этом значительно ниже предела прочности.
Причины усталости до сих пор не вполне ясны. Микроскопическое исследование образцов, подвергнутых многократной переменной нагрузке, показало, что в зернах материала после некоторого числа нагружений появляется ряд черточек, свидетельствующих о наличии сдвигов частей зерен. Под дальнейшим действием нагрузки черточки превращаются в тончайшие трещинки, которые сливаются в трещину. Около нее и сосредоточивается дальнейшее разрушение.
Трещина с каждым нагружением растет, и, когда поперечное сечение достаточно уменьшится, наступает разрушение. Образовавшаяся трещина действует подобно выточке, т. е. вызывает концентрацию напряжения и снижает сопротивление. Момент разрушения приближается незаметно. Конструкция, которой грозит разрушение, работает безупречно, но наконец внезапно происходит разрушение, причем при незначительной нагрузке.

Очень часто причинами усталостных изломов служат резкие изменения формы деталей (резкие переходы по толщине, надрезы, трещины на поверхности, поры и т. д.), вызывающие концентрацию напряжения. Так как усталостные трещины появляются вокруг этих участков, то борьба с усталостью, помимо подбора более прочных материалов, заключается в упрочнении его поверхности. Так, для металлов это достигается химико-термической обработкой, механической обработкой (шлифовка, полировка), закалкой токами высокой частоты. Эти меры позволяют повысить предел усталости на несколько десятков процентов. В отношении пластмасс большое значение имеет также правильный режим полимеризации, не вызывающий образования пор в протезах.

Предел прочности некоторых стоматологических материалов:

Упругость. Способность материала изменять форму под действием внешней нагрузки и восстанавливать форму после снятия этой нагрузки называется упругостью. Характерным примером упругих свойств материала может служить изгиб стальной проволоки, растяжение металлической пружины, сдавления протеза из полиамидной пластмассы, куска гидроколоидной массы. После удаления силы все эти тела приобретают свою форму. Но возврат к прежней форме может произойти лишь в случае, если приложенная сила не превысила определенной величины, называемой пределом упругости. Пределом упругости называют максимальную нагрузку, при которой материал после деформации и снятия нагрузки полностью восстанавливает свою форму и размеры. Если нагрузка превысит предел упругости, то после снятия ее материал полностью не восстановится до первоначального состояния, появится остаточная деформация.
Материалы, применяемые для изготовления зубных протезов и аппаратов, обладают различной упругостью. Некоторые конструкции должны обязательно обладать упругими свойствами, так как они постоянно находятся под силовым воздействием, а появление остаточной деформации делает их непригодными (кламмеры, дуги, базисы протезов и т. д.).
В других случаях проявление упругих свойств мешает проведению некоторых технологических этапов. Так, например, штамповка коронок, возможна, если металл будет находиться в состоянии наименьшей упругости.
Металлы могут по-разному проявлять упругость в зависимости от их механической и термической обработки. Сталь увеличивает упругость при обработке ее молотком или при протягивании, а также при закаливании.
Все материалы обладают упругими свойствами в определенных температурных интервалах. Для металлов эти интервалы достигают сотен градусов, у пластмасс они значительно меньше. Для базисных пластмасс они измеряются десятками градусов.
Упругость материала определяют на образцах, которые укрепляют в приборах типа гидравлического
пресса и подвергают нагружению. Измеряют изменение длины образца при максимальной нагрузке, не вызывающей остаточной деформации, после снятия которой образец принимает первоначальную длину. Расчет ведется на 1 мм 2 .

Понятно, что при определении нагрузок, допускаемых на различные участки протезов, знание предела упругости материала, из которого он изготовлен, является совершенно необходимым, так как нагрузка выше предела упругости приводит к изменению формы протеза, а следовательно, и к невозможности пользования им.
Если продолжать нагружать образец, то он постепенно начинает удлиняться, а его поперечное сечение становится меньше, причем по снятии нагрузки образец не возвращается к прежним размерам. Чем больше образец способен удлиняться, а его поперечное сечение сужаться, тем пластичнее материал.
В противоположность пластичным материалам хрупкие материалы под действием нагрузки разрушаются без изменения формы. Хрупкость, как правило, - свойство отрицательное, поэтому в ортопедической стоматологии чаще всего употребляют не только прочные и упругие материалы, но и в определенной мере пластичные.

Пластичность. Способность материала, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузок и сохранять эту форму после того, как нагрузка перестает действовать. Этим свойством обладают многие оттискные массы, воск, гипс, металлы.
Все пластичные материалы, таким образом, имеют резко выраженную остаточную деформацию. Пластичность необходима оттискным материалам, металлам, используемым для получения изделий методом штамповки, пластмассам, из которых формируются базисы протезов, пломбировочным материалам.
Иногда материал выбирают лишь благодаря его свойству приобретать пластичное состояние. Это относится в первую очередь к оттискным материалам, пластмассам. Для получения максимальной пластичности металла его подвергают особой термической обработке - отжигу, воск и оттискные массы подогревают, гипс смешивают с водой и т. д. Обычно обработка, повышающая пластичность, снижает сопротивление деформированию и наоборот.
Вязкость. Способность материала под действием растягивающих нагрузок вытягиваться. Этот вид деформации характеризуется тем, что исследуемый образец увеличивается по размерам в направлении приложенной силы (обычно по длине) и суживается в поперечном сечении.
Некоторые материалы обладают большой вязкостью (золото, серебро, железо и др.). Другие этой способностью не обладают (чугун, фарфор и др.). Они относятся к группе хрупких материалов.
Таким образом, хрупкость является свойством, противоположным вязкости.
При испытании различных материалов, в частности пластмасс, широко используют методику определения ударной вязкости. Удельной ударной вязкостью называется работа, затраченная на разрушение образца, деленная на площадь его поперечного сечения. Определение ударной вязкости производится на маятниковом копре MK-0,5-1. Прибор состоит из массивного основания, на котором смонтировано устройство маятникового типа. Маятник со сменным грузом (10-15-30 кг), укрепленный на оси станины, закрепляют на определенной высоте с помощью защепки. По освобождении зажима маятник свободно падает и производит удар по образцу. Чем прочнее образец, тем на меньшую высоту поднимается маятник после удара, т. е. тем большая работа была затрачена на ударное разрушение образца. Чем меньше ударная вязкость, тем более хрупким является материал.

Приведенные механические свойства материалов позволяют определить жесткость материалов. Способность элементов конструкции сопротивляться деформациям под действием внешних сил называется жесткостью.
Следует помнить, что при расчетах необходимых размеров деталей конструкции при предполагаемой нагрузке всегда придерживаются правила, что материал не должен не только разрушаться, но и деформироваться. Поэтому при расчетах всегда исходят из четырехкратного запаса прочности, т. е. если предел прочности углеродистой стали равен 90 кг/мм2, то допустимая нагрузка должна быть 22-23 кг/мм2. Если же рабочая нагрузка превышает эти цифры, то следует увеличивать размеры данной детали. Так, например, если нам известно, что сила, приложенная к протезу в момент разжевывания, равна 60 кг, а предел прочности пластмассы составляет 1000 кг/см2, то пластинка должна иметь в самой наименьшей части ширину, равную 2,5 см, при толщине 1 мм.

Литература:

1. Попков В.А. Стоматологическое материаловедение: Учебное пособие/ В.А. Попков. О.В.Нестерова, В.Ю.Решетняк, И.Н.Аверцева.//М. – МЕДпресс-информ. – 2009. – 400с.

2. Крег Р. Стоматологические материалы: свойства и применение/ Р.Крег, Дж.Пауэрс, Дж.Ватага// - 2005. – 304с.

3. http://article-factory.ru/medicina/zubotehnicheskoe-materialovedenie/139-mehanicheskie-svojstva.html

4. www.infodent.ru

Похожая информация.

При испытании на растяжение, в основном проводимом согласно нормам, гладкий стержень с зажатыми концами (рис. 3.1.1) подвергается приближенно одноосной нагрузке в соответствующей машине для испытания на растяжение (рис. 3.1.2). Под действием возрастающей силы получается диаграмма нагрузка - абсолютное удлинение или напряжение - относительное удлинение, которая характеризует прежде всего упругую область с помощью удлинения, линейно возрастающего с нагрузкой (прямую Гука) (рис. 3.1.3, а-г).

С превышением предела текучести наступает затем макроскопически пластическое удлинение, которое, наконец, в зависимости от состояния материала при появлении более или менее выраженной шейки увеличивается до разрыва. Важнейшими характеристиками, взятыми из испытаний на растяжение и имеющимися в диаграмме напряжение - удлинение, являются следующие:

В зависимости от свойств материала следует различать разные характерные формы проявления диаграмм напряжение - деформация. Хрупкий материал обнаруживает очень небольшую зону пластической деформации или в крайнем случае вообще ее не обнаруживает (см. рис. 3.1.3, i). Различные сплавы, например сплавы на медной основе с добавлением цинка или олова или сплавы на основе алюминия, демонстрируют четко выраженную зону предела текучести, т.е. происходит деформация без увеличения напряжения (см. рис. 3.1.3, в).
У нелегированной стали вследствие наличия растворенного углерода и азота в состоянии неполного отжига наблюдается верхний или нижний предел текучести, причем создается более или менее четко выраженная зона неоднородной деформации при переходе предела текучести (см. рис. 3.1.3, б). Материалы с такой формой предела текучести обнаруживают после деформации на поверхности линии текучести или полосы Людерса.
Если при пределе текучести не создается нестабильности, как это бывает у большинства металлов, то он может характеризоваться величиной остаточной деформации, т.е. отклонением от прямой Гука. Для этого вводится, например, Rр0,2-предел, т.е. такое напряжение, при котором проявляется пластическая деформация 0,2 % (см. рис. 3.1.3, а). После достижения максимальной нагрузки на диаграмме напряжение - деформация наблюдается спад напряжения. Это можно объяснить образованием шейки у образца, испытываемого на растяжение (рис. 3.1.4) и обусловленным этим уменьшением поперечного сечения.

Напряжение σ = F/S0, отнесенное к исходному поперечному сечению, вследствие образования шейки становится слишком низким по сравнению с истинным напряжением, благодаря чему в итоге получится истинная кривая упрочнения с подъемом напряжения до разрыва. Торможение пластической деформации с помощью концентрации напряжения в надрезе и таким образом создание повышенных пиков напряжения принимают во внимание при испытаниях на растяжение надрезанных образцов.

У вязких материалов предел текучести и поперечное сужение подавляются концентрацией напряжений в надрезе. Благодаря концентрации напряжений в надрезе возникает диаграмма напряжение - деформация, которая соответствует испытанию гладкого образца из хрупкого материала. Отсутствие поперечного сужения ведет у надрезанного образца из вязкого материала к кажущемуся повышению предела прочности при растяжении. Повышение напряжения в основании надреза обозначается коэффициентом αk. Этот коэффициент концентрации напряжений обозначает повышение напряжения в надрезе по сравнению с напряжением у гладкого образца (рис. 3.1.5) и определяется по формуле

У хрупкого материала это повышение напряжения ведет к уменьшению прочности на растяжение:

17.10.2019

Изготавливают пробковые панели из натурального материала. Для этого используется кора дуба (пробковый дуб произрастает на севере Африки и в некоторых районах южной...

17.10.2019

Хозяйственная деятельность человека зачастую усиливает процесс естественной эрозии почвы. Постепенно меняется рельеф, создаются каналы, меняют направление реки, кюветы...

17.10.2019

Функции этикеток могут быть разными. После наклейки на товар они становятся источником данных о производителе и продукции, используются как средство продвижения и...

17.10.2019

Специальные инструменты используются в современном строительстве для штукатурных работ. Для их применения особых умений не требуется, так как все они являются достаточно...

17.10.2019

В далеком 1984 году увидел свет первый 3D принтер. Чак Халл сделал революционное изобретение. В сфере создания таких принтеров основанная им компания и сегодня занимает...

17.10.2019

Все большее количество приспособлений и материалов появляется на строительном рынке. Трубы ППУ в последнее время стали занимать на рынке теплоизоляционных изделий одно...

17.10.2019

У человека много времени освобождается при любой автоматизации. Легче становится его жизнь. Шуруповерты были изобретены относительно недавно, а сейчас уже в продаже их...

17.10.2019

Свои истоки онлайн-казино «Вулкан Старс» берет еще в те годы, когда большинство людей даже не представляли себе виртуальные развлечения....

16.10.2019

В качестве дизайнерского решения кованые перила стали весьма популярны. С их помощью можно оформить как лестницы, так и крыльцо. Окружить себя изяществом и красотой люди...

Предел прочности - максимальное напряжение, которому может подвергаться материал до момента его разрушения. Если говорить о данном показателе по отношению к металлам, то здесь он равен соотношению критической нагрузки к площади его поперечного сечения при проведении теста на разрыв. В целом же прочность показывает, какая сила требуется для преодоления и разрыва внутренних связей между молекулами материала.

Каким образом производится испытание на прочность?

Виды пределов прочности

Выделяют несколько отдельных пределов прочности материалов:

при сжатии;
при изгибе;
при кручении;
при растяжении.

Формирование понятия о пределе прочности металлов

Предел прочности стали

Как пример можно привести несколько значений предельных показателей прочности сталей. Данные значения основаны на требованиях государственных стандартов и представляют собой рекомендуемые параметры. Так, для изделий, отлитых из конструкционной нелегированной стали, предусмотрен стандарт ГОСТ 977-88, согласно которому, предельное значение прочности при испытании на растяжение составляет порядка 50-60 кг/мм 2 , что равняется примерно 400-550 МПа. Аналогичная марка стали после прохождения процедуры закалки приобретает значение сопротивления на растяжение более 700 МПа.

Прочность меди

В обычных условиях комнатной температуры отожженная техническая медь обладает пределом прочности порядка 23 кг/мм 2 . При значительных температурных нагрузках на материал его предельная прочность существенно снижается. На показателях предельной прочности меди отражается наличие в металле всевозможных примесей, которые могут как повышать данный показатель, так и приводить к его снижению.

Прочность алюминия

Отожженная фракция технического алюминия при комнатной температуре отличается пределом прочности до 8 кг/мм 2 . Повышение чистоты материала увеличивает его пластичность, но отражается на снижении прочности. В качестве примера можно взять алюминий, показатель чистоты которого составляет 99,99%. В данном случае предельная прочность материала достигает около 5 кг/мм 2 .

Уменьшение предела прочности алюминиевой тестовой заготовки наблюдается при ее нагревании во время проведения испытаний на растяжение. В свою очередь, снижение температуры металла в пределах от +27 до -260 о С временно повышает исследуемый показатель в 4 раза, а при испытании фракции алюминия высочайшей чистоты - в целых 7 раз. В то же время несколько повысить прочность алюминия можно методом его легирования.

Прочность железа

Производство проката подразумевает изготовление огромного количества разновидностей конструкционных сталей. Сооружения во время эксплуатации испытывают сложные нагрузки на растяжение, сжатие, удары, изгиб или действующие одновременно и в комплексе. Для тяжелых и сложных условий работы конструкций, механизмов и сооружений требуется обеспечить долговечность, безопасность и надежность работы, в связи с чем к металлу, как к основному конструкционному материалу , предъявляются повышенные требования.

Главным в расчете конструкций является стремление уменьшить сечение стальных конструкций современных узлов для снижения их массы и экономного расходования материала без уменьшения несущей способности сооружения. В зависимости от условий работы, требования к сталям изменяются, но существуют стандартные, которые являются важными и применяются в процессе расчетных работ. Конструкционная сталь должна соответствовать высоким прочностным характеристикам при достаточной пластичности материала.

Предел текучести – немаловажная условная физическая величина, непосредственно используемая в расчетных формулах. Применение этого показателя в качестве основы при расчете конструкции на прочность является обоснованным, так как при эксплуатации в сооружении появляются необратимые изменения линейных размеров, что приводит к разрушению формы изделия и выходу его из строя. Повышение этой характеристики дает возможность уменьшить расчетные сечения материала и вес металлических конструкций и позволяет повысить рабочие нагрузки.

Пределом текучести металлов называют характеристику стали, показывающую критическое напряжение, после которого продолжается деформация материала без повышения нагрузки. Это важный показатель измеряется в Паскалях (Па) или МегаПаскалях (МПа), и позволяют рассчитывать предел допустимых напряжений для пластичных сталей.

После того как материал преодолеет предел текучести, в нем происходят необратимые деформации, изменяется структура кристаллической решетки, происходят пластические изменения. Если растягивающее значение силы увеличивается, то после прохождения площадки текучести продолжают увеличиваться деформации сталей.

Часто понятие текучести сталей называют напряжением, при котором начинается необратимая деформация, не определяя различия с пределом упругости. Но в реальных условиях значение показателя предела текучести превышает предел упругости на величину около 5%.

Общие сведения и характеристики сталей

Сталь относят к ковкому деформируемому сплаву на основе железа с углеродом и добавками других элементов. Выплавляют материал из чугунных смесей с металлическим ломом в мартеновских, электрических и кислородных конверторных печах.

Сформировавшаяся кристаллическая решетка металла зависит от количества содержащегося в них углерода и определяется по структурной диаграмме в соответствии с процессами в этом сплаве. Например, решетка стали, в которой содержится до 0,06% углерода, имеет зернистую структуру и является ферритом в чистом виде. Прочность таких металлов небольшая, но материал обладает высоким пределом ударной вязкости и текучести. Структуры сталей в состоянии равновесия подразделяются:

ферритная;
перлитно-ферритная;
цементитно-ферритная;
цементитно-перлитная;
перлитная;

Влияние содержание углерода на свойства сталей

Изменения главных составляющих цементита и феррита определяются свойствами первого по закону аддитивности. Увеличение процентной добавки углерода до 1,2% позволяет повысить прочность, твердость, порог хладоемкости на 20ºС и предел текучести. Повышение содержания углерода изменяет физические свойства материала, что иногда приводит к ухудшению технических характеристик , таких как способность к свариванию, деформации при штамповках. Отличным свариванием в конструкциях обладают низкоуглеродистые сплавы.

Добавки марганца и кремния

Марганец вводят в состав сплава в качестве технологической добавки для увеличения степени раскисления и уменьшения вредного воздействия серных примесей. В сталях он присутствует в виде твердых составляющих в количестве не более 0,8% и не оказывает существенного влияния на свойства металла.

Кремний действует в составе сплава аналогичным образом, добавляется при процессе раскисления в количестве не больше 0,38%. Для возможности соединения деталей сваркой содержание кремния не должно быть больше 0,24%. На свойства сталей кремний в составе сплава не влияет.

Пределом содержания серы в сплаве является порог в 0,06% , она содержится в виде хрупких сульфитов. Повышенное содержание примеси существенно ухудшает механические и физические свойства сталей. Это выражается в уменьшении пластичности, предела текучести, ударной вязкости, сопротивления истиранию и коррозии.

Содержание фосфора также ухудшает качественные показатели металлических сплавов , предел текучести после увеличения фосфора в составе повышается, но снижается вязкость и пластичность. Стандартное содержание примеси в сплаве регламентируется интервалом от 0,025 до 0,044%. Наиболее сильно фосфор ухудшает свойства сталей при одновременном высоком показателе добавок углерода.

Азот и кислород в сплаве

Эти вещества загрязняют сталь неметаллическими примесями и ухудшают ее механические и физические показатели. В частности, это относится к порогу вязкости и выносливости , пластичности и хрупкости. Содержание в сплаве кислорода в размере больше, чем 0,03% вызывает быстрое старение металла, азот увеличивает ломкость и повышает со временем деформационное старение. Содержание азота увеличивает прочность, тем самым понижая предел текучести.

Легирующие добавки в составе сплавов

К легированным относят стали, в которые специально вводятся в определенных сочетаниях элементы для повышения качественных характеристик. Комплексное легирование дает наилучшие результаты . В качестве добавок применяют хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан и другие.

Легированием повышают предел текучести и другие технологические свойства, такие как ударная вязкость, сужение и возможность прокаливания, снижение порога деформации и растрескивания.

Чтобы полностью изучить свойства материала и определения предела текучести, пластических деформаций и прочности проводят испытание образцов металла до полного разрушения. Испытание проводят при действии нагрузок следующего вида:

Определение пределов испытательных нагрузок производят в стандартных условиях, с применением специальных машин, которые описаны в правилах Государственных стандартов.

Испытание образца для определения предела текучести

Для этого берут образец цилиндрической формы размером 20 мм, расчетной длиной 10 мм и применяют к нему нагрузку растяжением. Понятие расчетной длины обозначает расстояние между рисками, нанесенными на более длинном образце для возможности захвата. Для проведения испытания определяют зависимость между увеличением растягивающей силы и удлинением испытательного образца .

Все показания испытания автоматически отображаются в виде диаграммы для наглядного сравнения. Ее называют диаграммой условного растяжения или условного напряжения, график зависит от первоначального сечения образца и первоначальной его длины. Вначале увеличение силы приводит к пропорциональному удлинению образца. Такое положение действует до предела пропорциональности.

После достижения этого порога график становится криволинейным и обозначает непропорциональное увеличение длины при равномерном повышении нагрузки. Дальше следует определение предела текучести. До тех пор, пока напряжения в образце не превосходят этого показателя, то материал с прекращением нагрузки может вернуться в первоначальное состояние относительно размеров и формы. На практике испытательного процесса разница между этими пределами невелика и не стоит особого внимания.

Предел текучести

Если продолжать увеличивать нагрузку, то наступает такой момент испытания, когда изменение формы и размеров продолжается без увеличения силы. На диаграмме это показывается горизонтальной прямой (площадкой) текучести. Фиксируется максимальное напряжение, при котором увеличивается деформация, после прекращения наращивания нагрузки. Этот показатель называется пределом текучести. Для стали Ст. 3 предел текучести от 2450 кг на квадратный сантиметр.

Условный предел текучести

Многие металлы при испытании дают диаграмму, на которой площадка текучести отсутствует или плохо выражена, для них применяется понятие условного предела текучести. Это понятие определяет напряжение, которое вызывает остаточное изменение или деформацию в пределе 0,2% . Металлами, к которым применяется понятие условного предела текучести, служат легированные и высокоуглеродистые стали, бронза, дюралюминий и другие. Чем пластичнее сталь, тем больше показание остаточных деформаций. К ним относят алюминий, латунь, медь и низкоуглеродистые стали.

Испытания стальных образцов показывает, что текучесть металла вызывает значительные сдвиги кристаллов в решетке, и характеризуется появлением на поверхности линий, направленные к центральной оси цилиндра.

Предел прочности

После изменения на некоторую величину происходит переход образца в новую фазу, когда после преодоления предела текучести, металл снова может сопротивляться растяжению . Это характеризуется упрочнением, и линия диаграммы снова поднимается, хотя повышение происходит в более пологом проявлении. Появляется временное сопротивление постоянной нагрузке.

После достижения максимального напряжения (предела прочности) на образце появляется участок резкого сужения, так называемой шейки, характеризующейся уменьшением площади поперечного сечения, и образец рвется в самом тонком месте. При этом значение напряжения резко падает, уменьшается и величина силы.

Сталь Ст.3 характеризуется пределом прочности 4000–5000 кГ/см2. Для высокопрочных металлов такой показатель достигает предела 17500 кГ/см3 этот.

Пластичность материала

Характеризуется двумя показателями:

остаточное относительное удлинение;
остаточное сужение при разрыве.

Для определения первого показателя измеряют общую длину растянутого образца после разрыва. Чтобы это сделать, складывают две половинки друг с другом. Измерив длину, высчитывают процентное отношение к первоначальной длине. Прочные сплавы менее подвержены пластичности и показатель относительного удлинения снижается до 63 эта11%.

Вторая характеристика рассчитывается после измерения наиболее узкой части разрыва и высчитывается в процентном отношении к первоначальной площади среза образца.

Свойством, противоположным пластичности, является показатель хрупкости материала . Хрупкими металлами считают чугун, инструментальную сталь. Деление сталей на хрупкие и пластичные производится условно, так как для определения этого показателя имеет значение условия работы или испытания, скорость повышения нагрузки, температура окружающей среды.

Некоторые материалы в разных условиях ведут себя совсем не как хрупкие. Например, чугун, расположенный так, что зажат со всех сторон, не разрушается даже при и возникающих внутри напряжениях. Сталь с проточками характеризуется повышенной хрупкостью. Отсюда вывод, что гораздо целесообразнее испытывать не пределы хрупкости, а определять состояние материала, как пластичное или хрупкое.

Испытания сталей для определения физических и технических свойств делаются с целью получить достоверные данные для произведения работ при строительстве и создания конструкций в хозяйстве.

Когда на металлический образец действует сила или система сил, он реагирует на это, изменяя свою форму (деформируется). Различные характеристики, которыми определяются поведение и конечное состояние металлического образца в зависимости от вида и интенсивности сил, называются механическими свойствами металла.

Интенсивность силы, действующей на образец, называется напряжением и измеряется как полная сила, отнесенная к площади, на которую она действует. Под деформацией понимается относительное изменение размеров образца, вызванное приложенными напряжениями.

Упругая и пластическая деформация, разрушение

Если напряжение, приложенное к металлическому образцу, не слишком велико, то его деформация оказывается упругой – стоит снять напряжение, как его форма восстанавливается. Некоторые металлические конструкции намеренно проектируют так, чтобы они упруго деформировались. Так, от пружин обычно требуется довольно большая упругая деформация. В других случаях упругую деформацию сводят к минимуму. Мосты, балки, механизмы, приборы делают по возможности более жесткими. Упругая деформация металлического образца пропорциональна силе или сумме сил, действующих на него. Это выражается законом Гука, согласно которому напряжение равно упругой деформации, умноженной на постоянный коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости: s = ∆ Y , где s – напряжение, ∆ – упругая деформация, а Y – модуль упругости (модуль Юнга). Модули упругости ряда металлов представлены в табл. 1.

Таблица 1

	Вольфрам	Железо (сталь)		Алюминий

Пользуясь данными этой таблицы, можно вычислить, например, силу, необходимую для того, чтобы растянуть стальной стержень квадратного поперечного сечения со стороной 1 см на 0,1% его длины:

F = 200 000 МПа х 1 см 2 х 0,001 = 20 000 Н (= 20 кН)

Когда к металлическому образцу прикладываются напряжения, превышающие его предел упругости, они вызывают пластическую (необратимую) деформацию, приводящую к необратимому изменению его формы. Более высокие напряжения могут вызвать разрушение материала.

Важнейшим критерием при выборе металлического материала , от которого требуется высокая упругость, является предел текучести. У самых лучших пружинных сталей практически такой же модуль упругости, как и у самых дешевых строительных, но пружинные стали способны выдерживать гораздо большие напряжения, а следовательно, и гораздо большие упругие деформации без пластической деформации, поскольку у них выше предел текучести.

Пластические свойства металлического материала (в отличие от упругих) можно изменять путем сплавления и термообработки. Так, предел текучести железа подобными методами можно повысить в 50 раз. Чистое железо переходит в состояние текучести уже при напряжениях порядка 40 МПа, тогда как предел текучести сталей, содержащих 0,5% углерода и несколько процентов хрома и никеля, после нагревания до 950 С 0 и закалки может достигать 2000 МПа.

Когда металлический материал нагружен с превышением предела текучести, он продолжает деформироваться пластически, но в процессе деформирования становится более твердым, так что для дальнейшего увеличения деформации требуется все больше повышать напряжение. Такое явление называется деформационным или механическим упрочнением (а также наклепом). Его можно продемонстрировать, скручивая или многократно перегибая металлическую проволоку. Деформационное упрочнение металлических изделий часто осуществляется на заводах. Листовую латунь, медную проволоку, алюминиевые стержни можно холодной прокаткой или холодным волочением довести до уровня твердости, который требуется от окончательной продукции.

Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов . М., 1979
Уайэтт О.Г., Дью-Хьюз Д. Металлы, керамики, полимеры . М., 1979
Павлов П.А. Механические состояния и прочность материалов . Л., 1980
Соболев Н.Д., Богданович К.П. Механические свойства материалов и основы физики прочности . М., 1985
Жуковец И.И. Механические испытания металлов . М., 1986
Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов . М., 1987

Пределом текучести называют напряжение, соответствующее остаточному значению удлинения после снятия нагрузки. Определение этой величины необходимо для выбора металлов, используемых в производстве. Если не учесть рассматриваемый параметр, то это может привести к интенсивному процессу развития деформации в неправильно выбранном материале. Очень важно учитывать пределы текучести при конструировании различных металлических конструкций.

Физическая характеристика

Пределы текучести относятся к показателям прочности. Они представляют собой макропластическую деформацию с довольно малым упрочнением. Физически этот параметр можно представить как характеристику материала, а именно: напряжение, которое отвечает нижнему значению площадки текучести в графике (диаграмме) растяжения материалов. Это же можно представить в виде формулы: σ Т =P Т /F 0 , где P Т означает нагрузку предела текучести, а F 0 соответствует первоначальной площади поперечного сечения рассматриваемого образца. ПТ устанавливает так называемую границу между упруго-пластической и упругой зонами деформирования материала. Даже незначительное увеличение ПТ) вызовет существенную деформацию. Пределы текучести металлов принято измерять в кг/мм 2 либо Н/м 2 . На величину данного параметра оказывают влияние разные факторы, например, режим термообработки, толщина образца, наличие легирующих элементов и примесей, тип, микроструктура и дефекты кристаллической решетки и прочее. Предел текучести значительно меняется при изменении температуры. Рассмотрим пример практического значения данного параметра.

Предел текучести труб

Наиболее наглядным является влияние данной величины при строительстве трубопроводов систем высокого давления. В таких конструкциях должна использоваться специальная сталь, у которой достаточно большие пределы текучести, а также минимальные показатели разрыва между данным параметром и Чем больше у стали предел, тем, естественно, более высоким должен быть показатель допустимой величины рабочего напряжения. Данный факт оказывает прямое влияние на значение прочности стали, и соответственно, всей конструкции в целом. В связи с тем что параметр допустимой расчетной величины системы напряжений оказывает непосредственное влияние на необходимое значение толщины стен в используемых трубах, то важно максимально точно рассчитывать характеристики прочности стали, которая будет использоваться при изготовлении труб. Одним из наиболее аутентичных методов определения данных параметров является проведение исследования на разрывном образце. Во всех случаях требуется учитывать разницу значений рассматриваемого показателя, с одной стороны, и допустимыми значениями напряжений - с другой.

Кроме того, следует знать, что предел текучести металла всегда устанавливается в результате проведения детальных многоразовых замеров. А вот систему допустимых напряжений в подавляющем большинстве принимают исходя из нормативов или вообще в результате проведенных технических условий, а также опираясь на личный опыт производителя. В системах магистральных трубопроводов весь нормативный сборник описан в СНиП II-45-75. Итак, установка коэффициента запаса прочности - довольно сложная и весьма важная практическая задача. Корректное определение этого параметра всецело зависит от точности рассчитанных величин напряжения, нагрузки, а также предела текучести материала.

При выборе теплоизоляции систем трубопроводов также опираются на данный показатель. Это связано с тем, что эти материалы непосредственно вступают в контакт с металлической основой трубы, и, соответственно, могут принимать участие в электрохимических процессах, пагубно влияющих на состояние трубопровода.

Растяжение материалов

Предел текучести при растяжении определяет, при какой величине напряжение останется неизменным либо снизится, несмотря на удлинение. То есть данный параметр достигнет критической отметки тогда, когда произойдет переход от упругой к пластической области деформации материала. Получается, что предел текучести можно определить путем проведения тестирования стержня.

Расчет ПТ

В сопротивлении материалов пределом текучести является напряжение, при котором начинается развиваться Давайте рассмотрим, каким образом производится расчет этой величины. В опытах, проводимых с цилиндрическими образцами, определяют значение нормального напряжения в поперечном сечении в момент возникновения необратимой деформации. Таким же методом в опытах с кручением трубчатых образцов производят определение предела текучести при сдвиге. Для большинства материалов этот показатель определяется формулой σ Т =τ s √3. В некоторых экземплярах непрерывное удлинение цилиндрического образца на диаграмме зависимости нормальных напряжений от относительного удлинения приводит к обнаружению так называемого зуба текучести, то есть резкого снижения напряжения перед образованием пластической деформации.

Более того, дальнейший рост такого искажения до определенного значения происходит при постоянном напряжении , которое называют физическим ПТ. Если площадка текучести (горизонтальный участок графика) имеет большую протяженность, то такой материал называют идеально-пластическим. Если диаграмма не имеет площадки, то образцы называют упрочняющимися. В таком случае невозможно точно указать значение, при котором возникнет пластическая деформация.

Что такое условный предел текучести?

Давайте разберемся, что же это за параметр. В тех случаях, когда диаграмма напряжений не имеет выраженных площадок, требуется определять условный ПТ. Итак, это значение напряжения, при котором относительная остаточная деформация равна 0,2 процента. Для его вычисления на диаграмме напряжений по оси определения ε необходимо отложить величину, равную 0,2. От этой точки проводится начальному участку. В результате точка пересечения прямой с линией диаграммы определяет значение условного предела текучести для конкретного материала. Также данный параметр называют техническим ПТ. Кроме того, отдельно выделяют условные пределы текучести при кручении и изгибе.

Текучесть расплава

Этот параметр определяет способность расплавленных металлов заполнять линейные формы. Текучесть расплава для металлических сплавов и металлов имеет свой термин в металлургической промышленности - жидкотекучесть. По сути, это величина, обратная Международная система единиц (СИ) выражает текучесть жидкости в Па -1 *с -1 .

Временное сопротивление на разрыв

Давайте рассмотрим, каким образом определяется данная характеристика механических свойств. Прочностью называют способность материала при определенных пределах и условиях воспринимать различные воздействия, не разрушаясь. Механические свойства принято определять при помощи условных диаграмм растяжений. Для испытаний следует использовать стандартные образцы. Приборы для испытаний оснащаются устройством, которое записывает диаграмму. Повышение нагрузок сверх нормы вызывает существенную пластическую деформацию в изделии. Предел текучести и временное сопротивление на разрыв соответствуют наибольшей нагрузке, предшествующей полному разрушению образца. У пластичных материалов деформация сосредотачивается на одном участке, где появляется местное сужение поперечного сечения. Его еще называют шейкой. В результате развития множественных скольжений в материале образуется большая плотность дислокаций, а также возникают так называемые зародышевые несплошности. Вследствие их укрупнений в образце возникают поры. Сливаясь между собой, они образуют трещины, которые распространяются в поперечном направлении к оси растяжения. И в критический момент образец полностью разрушается.

Что представляет собой ПТ для арматуры?

Эти изделия являются неотъемлемой составной частью железобетона, предназначаемые, как правило, для сопротивления растягивающим усилиям. Обычно используют стальную арматуру, но бывают и исключения. Эти изделия должны работать совместно с массой бетона на всех без исключения стадиях загрузки данной конструкции, обладать пластичными и прочными свойствами. А также отвечать всем условиям индустриализации данных видов работ. Механические свойства стали, используемой при изготовлении арматуры, установлены соответствующим ГОСТом и техническими условиями. ГОСТ 5781-61 предусматривает четыре класса данных изделий. Первые три предназначены для обычных конструкций, а также ненапрягаемых стержней у предварительно напряженных системах. Предел текучести арматуры в зависимости от класса изделия может достигать 6000 кг/см 2 . Так, у первого класса этот параметр составляет примерно 500 кг/см 2 , у второго - 3000 кг/см 2 , у третьего 4000 кг/см 2 , а у четвертого - 6000 кг/см 2 .

Предел текучести сталей

Для сортового проката в базовом исполнении ГОСТ 1050-88 предусматривается следующие значения ПТ: марка 20 - 25 кгс/мм 2 , марка 30 - 30 кгс/мм 2 , марка 45 - 36 кгс/мм 2 . Однако для этих же сталей, изготавливаемых по предварительному согласованию потребителя и изготовителя, пределы текучести могут иметь иные значения (тот же ГОСТ). Так, 30 будет иметь ПТ в размере от 30 до 41 кгс/мм 2 , а марки 45 - в пределах 38-50 кгс/мм 2 .

Заключение

При проектировании различных (зданий, мостов и прочих) предел текучести используют в качестве показателя стандарта прочности при проведении расчетов значений допустимых нагрузок соответственно указанному коэффициенту запаса прочности. А вот для сосудов, находящихся под давлением, величину допустимой нагрузки рассчитывают на основе ПТ, а также прочности на разрыв, с учетом спецификации условий эксплуатации.

Прочность на разрыв или напряжение при разрыве выражаются в дин/см 2 . Предел упругости всегда лежит ниже напряжения при разрыве. Процесс волочения материалов, т.е. изготовление проволоки увеличивает сопротивление на разрыв, и чем тоньше проволока, тем больше напряжения при разрыве. В золоте при его обработке обычно обнаруживается увеличение напряжения на разрыв вследствие его пластичности.

Технические свойства материалов (т.е. разрушающее напряжение, усталость, текучесть и т.д.) при нормальной или повышенной температурах.

Чтобы привести значения, выраженные в дин/см 2 , к приблизительным значениям в кгс/мм 2 , надо первые разделить на 10 8 ; чтобы привести к значениям в фунт-сила/кв.дюйм – разделить на 7*10 4 ; к значениям тонна-сила/кв.дюйм – разделить на 1,5*10 8 .

Таблица значений прочности на разрыв материалов и веществ

Материал, вещество	Прочность на разрыв 10 9 дин/см 2 .	Материал, вещество	Прочность на разрыв 10 9 дин/см 2 .
Алюминий (литой)		Кожаный ремень
Алюминий (листовой)		Пеньковая веревка


Магний (литой)		Шелковая нить
Магний (прессованный)		Кварцевая нить
Медь (литая)		Пластмассы термопластичные
Медь (листовая)		Термореактивные
		Проволоки
Железо сварочное		Алюминий
Сталь литая
Сталь мягкая (0,2%С)		Медь (холоднотянутая)
Сталь рессорная		Медь (отожженная)
Сталь отпущенная
Сталь никелевая, 5% Ni		Железо (на древесном угле)
Сталь хромоникелевая		Железо холоднотянутое
Свинец (литой)		Железо отожженное
Олово (литое)		Сталь поделочная
Цинк (листовой)		Сталь отпущенная
Латунь (66% Cu) литая		Сталь холоднотянутая
Латунь (34% Cu) листовая
Бронза фосфористая (литая)
Пушечный металл (90% Cu, 10% Sn)
Мягкий припой
Неметаллы:		Бронза фосфористая
		Нейзильбер
		Дюралюминий
Ясень, бук, дуб, тик, красное дерево		Вольфрам
Пихта, смолистая сосна		Палладий
Красные или белые еловые доски		Молибден
Белая или желтая сосна
		Цирконий отожженный
		Цирконий холоднотянутый