Узнаем как определить предел текучести материала

Узнаем как определить предел текучести материала

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, где P_Т означает нагрузку предела текучести, а F соответствует первоначальной площади поперечного сечения рассматриваемого образца. ПТ устанавливает так называемую границу между упруго-пластической и упругой зонами деформирования материала. Даже незначительное увеличение напряжения (выше 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 пределом прочности. 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 пластическая деформация. 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 прямая, параллельная 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 динамической вязкости. 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, сталь марки 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 стальных конструкций (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.

Предел прочности и прочность на растяжение

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[править | править код]

Статический предел прочности[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

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.)

Другие прочностные параметры[править | править код]

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».

Прочностные особенности некоторых материалов[править | править код]

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)[1]:

Условный предел текучести – напряжение, соответствующее условно заданной величине деформации, равной 0,2%

Количественными характеристиками прочности материала являются предел текучести и предел прочности.

Прочность – способность материалов сопротивляться воздействию внешних нагрузок.

Упругость – способность материала восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки.

Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией, однако деформация практически является упругой. В материале фиксируются лишь ничтожные доли остаточной деформации, которая называется микропластическая деформация.

Количественной характеристикой упругости является условный предел упругости — напряжение, при котором остаточная микродеформация равна определенной заданной величине в пределах от 0,001 до 0,05%.

Условный предел упругости обозначается σ_0,05, размерность — МПа.

Прочность

Прочность является одной из наиболее важных механических свойств металлов и сплавов при оценке их работоспособности.

В зависимости от вида получаемой диаграммы растяжения для различных материалов определяют либо условный предел текучести, либо физический предел текучести.

Обозначение условного предела текучести — σ_0,2, размерность — МПа.

Условный предел текучести определяется на диаграммах «без площадки текучести» (рис.4.6, а).

а)

б)

Рис. 4.6. Диаграммы растяжения без (а ) и с (б ) «площадки тякучести»

Тогда условный предел текучести вычисляется по формуле:

где Р_0,2 — определяется по неприведенной диаграмме растяжения (рис.4.6, а);

F — площадь поперечного сечения рабочей части образца до испытаний.

Физический предел текучести — напряжение, соответствующее «площадке текучести» на диаграмме.

Обозначение физического предела текучести — σ_Т, размерность — МПа. Физический предел текучести определяется на приведенной диаграмме растяжения (рис.4.6, б).

Предел прочности (временное сопротивление разрыву) — максимальное напряжение, которое выдерживает образец непосредственно перед разрушением.

Предел прочности обозначается — σ_в, размерность — МПа.

Предел прочности вычисляется по формуле:

где Р_max — максимальная нагрузка, определяется по неприведенной диаграмме растяжения (рис.4.6, б);

F — площадь поперечного сечения рабочей части образца до испытаний.

Класс прочности крепежа. Испытания «КМП-Трейд»

Крепеж разного вида в зависимости от целей его использования производится из различных углеродистых сталей, что влияет на класс прочности готовых изделий. Даже из одной стали можно изготовить крепеж разных классов прочности за счет способа обработки.

Например, из конструкционной стали 35 нарезанием на токарно-винторезном станке или фрезерованием на резьбофрезерных станках можно получить изделия класса прочности 5.6. При объемной штамповке на высадочном прессе получают изделия класса 6.6 и 6.8. При закаливании этих изделий добивают класса прочности 8.8. Из стали 45 можно получить крепеж классов 6.6, 8.8, 9.8, 10.9. И т.д.

Класс прочности

Класс прочности крепежных изделий с внешней метрической резьбой (винтов, болтов, шпилек) определяется их механическими свойствами. Согласно ГОСТ 1759.4-87 (ISO 898.1-78) существует 11 категорий их классов прочности: 3.6; 4.6; 5.6; 5.8; 6.6; 6.8; 8.8; 9.8; 10.9; 12.9.

Для определения прочности болта как изделия необходимо умножить предел прочности материала на площадь поперечного сечения (среза болта). Ее вычисление усложняется наличием резьбы, поэтому для удобства существуют специальные таблицы.

Для болта диаметром 8 мм и класса прочности 8.8 площадь поперечного сечения равна 36,6 мм 2 . Соответственно, прочность такого болта определяется так: 800 Н/мм 2 х 36,6 мм 2 = 29280 Н.

Вторая цифра означает процент от предельной нагрузки первой цифры. Это отношение предела текучести к пределу прочности, умноженному на 10. Например, у болта класса прочности 8.8 минимальный предел текучести составляет 8 × 10 = 80%. Т.е. при достижении 80% от нагрузки 29280 Н, что составляет 23424 Н, будет достигнут предел текучести – величина нагрузки, при превышении которой наступает невосстанавливаемая деформация или изгиб.

Также предел текучести изделия можно узнать из двух цифр маркировки: 8 х 8 х 10 = 640 Н/мм 2 .

Значение предела текучести имеет важное практическое значение, поскольку это и есть максимальная рабочая нагрузка болта.

Класс прочности крепежных изделий с внутренней метрической резьбой (гаек) обозначается одним числом. Существует 7 классов прочности: 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12. Данное число обозначает 1/100 часть предела прочности болта, к которому подходит данная гайка в резьбовом соединении. Соответственно, болт класса прочности 8.8 должен комплектоваться гайкой с классом прочности 8.

Испытание крепежных изделий

Для испытания возьмем два болта диаметром 8 мм с классами прочности 5.8 и 8.8.
Измерять нагрузку будем с помощью прибора ПСО-4 МГ c электронным силоизмерителем, обеспечивающим индикацию текущего значения приложенной нагрузки с фиксацией максимального значения, а также индикацию скорости нагружения в процессе испытаний.
Болты зафиксируем на металлической пластине будем давать постепенную нагрузку.

Болт класса прочности 5.8
При приложении силы в (24 кН) 2400 кг нагрузка начинает падать. Это означает, что достигнут предел текучести, и болт начал деформироваться. Разрыв происходит при 18 кН.

Болт класса прочности 8.8
Нагрузка начинает падать при достижении 31 кН (3100 кг) и разрыв происходит при 24 кН, что соответствует расчетному показателю максимальной рабочей нагрузки болта.

Вывод

Эксперимент показал, что расчетный метод определения предела прочности крепежа дает реальные значения. Понимая, как рассчитать нагрузку крепежа, можно определить ее максимальное рабочее значение и выбрать крепежное изделие, обеспечивающее надежный монтаж.

Деформация: виды деформации, пределы упругости и прочности

Частицы, из которых состоят твердые тела (как аморфные, так и кристаллические) постоянно совершают тепловые колебания около положений равновесия. В таких положениях энергия их взаимодействия минимальная. Если расстояние между частицами уменьшается, начинают действовать силы отталкивания, а если увеличиваться – то силы притяжения. Именно этими двумя силами обусловлены все механические свойства, которыми обладают твердые тела.

Если твердое тело изменяется под воздействием внешних сил, то частицы, из которых оно состоит, меняют свое внутреннее положение. Такое изменение называется деформацией.

Виды деформации

Различают деформации нескольких видов. На изображении показаны некоторые из них.

Рисунок 3 . 7 . 1 . Некоторые виды деформаций твердых тел: 1 – деформация растяжения; 2 – деформация сдвига; 3 – деформация всестороннего сжатия.

Первый вид – растяжение или сжатие – является наиболее простым видом деформации. В таком случае изменения, происходящие с телом, можно описать при помощи абсолютного удлинения Δ l , которое происходит под действием сил, обозначаемых F → . Взаимосвязь, существующая между силами и удлинением, обусловлена геометрическими размерами тела (в первую очередь толщиной и длиной), а также механическими свойствами вещества.

Если мы разделим величину абсолютного удлинения на первоначальную длину твердого тела, мы получим величину его относительного удлинения (относительной деформации).

Обозначим этот показатель ε и запишем следующую формулу:

Относительная деформация тела растет при его растяжении и соответственно уменьшается при сжатии.

Если учесть, в каком именно направлении внешняя сила действует на тело, то мы можем записать, что F будет больше нуля при растяжении и меньше нуля при сжатии.

Механическое напряжение

Механическое напряжение твердого тела σ – это показатель, равный отношению модуля внешней силы к площади сечения твердого тела.

Величину механического напряжения принято выражать в паскалях ( П а ) и измерять в единицах давления.

Важно понимать, как именно механическое напряжение и относительная деформация связаны между собой. Если отобразить их взаимоотношения графически, мы получим так называемую диаграмму растяжения. При этом нам нужно отмерить величину относительной деформации по оси x , а механическое напряжение – по оси y . На рисунке ниже представлена диаграмма растяжения, типичная для меди, мягкого железа и некоторых других металлов.

Рисунок 3 . 7 . 2 . Типичная диаграмма растяжения для пластичного материала. Голубая полоса – область упругих деформаций.

В тех случаях, когда деформация твердого тела меньше 1 % (малая деформация), то связь между относительным удлинением и механическим напряжением приобретает линейный характер. На графике это показано на участке O a . Если напряжение снять, то деформация исчезнет.

Деформация, исчезающая при снятии напряжения, называется упругой.

Линейный характер связи сохраняется до определенного предела. На графике он обозначен точкой a .

Предел пропорциональности – это наибольшее значение σ = σ п р , при котором сохраняется линейная связь между показателями σ и ε .

На данном участке будет выполняться закон Гука:

В формуле содержится так называемый модуль Юнга, обозначенный буквой E .

Если мы продолжим увеличивать напряжение на твердое тело, то линейный характер связи нарушится. Это видно на участке a b . Сняв напряжение, мы также увидим практически полное исчезновение деформации, то есть восстановление формы и размеров тела.

Предел упругости

Предел упругости – максимальное напряжение, после снятия которого тело восстановит свою форму и размер.

После перехода этого предела восстановления первоначальных параметров тела уже не происходит. Когда мы снимаем напряжение, у тела остается так называемая остаточная (пластическая) деформация.

Обратите внимание на участок диаграммы b c , где напряжение практически не увеличивается, но деформация при этом продолжается. Это свойство называется текучестью материала.

Предел прочности

Предел прочности – максимальное напряжение, которое способно выдержать твердое тело, не разрушаясь.

В точке e материал разрушается.

Если диаграмма напряжения материала имеет вид, соответствующий тому, что показан на графике, то такой материал называется пластичным. У них обычно деформация, при которой происходит разрушение, заметно больше области упругих деформаций. К пластичным материалам относится большинство металлов.

Если материал разрушается при деформации, которая превосходит область упругих деформаций незначительно, то он называется хрупким. Такими материалами считаются чугун, фарфор, стекло и др.

Деформация сдвига имеет аналогичные закономерности и свойства. Ее отличительная особенность состоит в направлении вектора силы: он направлен по касательной относительно поверхности тела. Для поиска величины относительной деформации нам нужно найти значение Δ x l , а напряжения – F S (здесь буквой S обозначена та сила, которая действует на единицу площади тела). Для малых деформаций действует следующая формула:

Буквой G в формуле обозначен коэффициент пропорциональности, также называемый модулем сдвига. Обычно для твердого материала он примерно в 2 — 3 раза меньше, чем модуль Юнга. Так, для меди E = 1 , 1 · 10 11 Н / м 2 , G = 0 , 42 · 10 11 Н / м 2 .

Когда мы имеем дело с жидкими и газообразными веществами, то важно помнить, что у них модуль сдвига равен 0 .

При деформации всестороннего сжатия твердого тела, погруженного в жидкость, механическое напряжение будет совпадать с давлением жидкости ( p ) . Чтобы вычислить относительную деформацию, нам нужно найти отношение изменения объема Δ V к первоначальному объему V тела. При малых деформациях

Буквой B обозначен коэффициент пропорциональности, называемый модулем всестороннего сжатия. Такому сжатию можно подвергнуть не только твердое тело, но и жидкость и газ. Так, у воды B = 2 , 2 · 10 9 Н / м 2 , у стали B = 1 , 6 · 10 11 Н / м 2 . В Тихом океане на глубине 4 к м давление составляет 4 · 10 7 Н / м 2 , а относительно изменения объема воды 1 , 8 % . Для твердого тела, изготовленного из стали, значение этого параметра равно 0 , 025 % , то есть оно меньше в 70 раз. Это подтверждает, что твердые тела благодаря жесткой кристаллической решетке обладают гораздо меньшей сжимаемостью по сравнению с жидкостью, в которой атомы и молекулы связаны между собой не так плотно. Газы могут сжиматься еще лучше, чем тела и жидкости.

От значения модуля всестороннего сжатия зависит скорость, с которой звук распространяется в данном веществе.