Как найти предел прочности формула

Стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение для определения при температуре 20±15С пределов пропорциональности, упругости, текучести (условного и физического), временного сопротивления, относительного удлинения и относительного сужения после разрыва.

1. Изучить методику испытаний металлов и сплавов на растяжение.

2. Ознакомиться с конструкцией и работой разрывной машины.

3. Провести испытания на растяжение двух образцов из разных материалов, получить диаграммы растяжения.

4. Определить положение характерных точек, рассчитать параметры в характерных и промежуточных точках.

5. На основании выполненных расчетов построить диаграмму зависимости условных напряжений от степени деформации.

6. Определить основные механические характеристики материалов и дать заключение о свойствах испытанных материалов.

Содержание работы

Испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84) широко применяют для определения механических свойств конструкционных сталей, цветных металлов и сплавов.

Стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение для определения при температуре 20±15°С пределов пропорциональности, упругости, текучести (условного и физического), временного сопротивления, относительного удлинения и относительного сужения после разрыва.

При испытаниях на растяжение принимают следующие обозначения и определения:

— рабочая длина образца l (м, мм) — часть образца с постоянной площадью поперечного сечения между его головками или участками для захвата;

— начальная расчетная длина образца l₀ (м, мм) — участок рабочей длины образца между нанесенными метками до испытания, на котором определяется удлинение;

— конечная расчетная длина образца l_к (м, мм) — длина расчетной части образца после разрыва;

— начальный диаметр образца d₀ (м, мм) — диаметр рабочей части цилиндрического образца до испытаний;

— диаметр образца после разрыва d_к (м, мм) — минимальный диаметр рабочей части цилиндрического образца после разрыва;

— начальная площадь поперечного сечения образца F₀ (м², мм²) — площадь поперечного сечения рабочей части образца до испытаний;

— площадь поперечного сечения образца после разрыва F_к (м², мм²) — минимальная площадь поперечного сечения рабочей части образца после разрыва;

— осевая растягивающая нагрузка P (Н, кгс) — нагрузка, действующая на образец в данный момент испытания;

— условное напряжение S (МПа, кгс/мм²) — напряжение, определяемое отношением нагрузки P к начальной площади поперечного сечения F₀ образца;

— истинное нормальное напряжение S (МПа, кгс/мм²) — напряжение, определяемое отношением нагрузки P к действительной в данный момент испытания площади поперечного сечения F образца;

— абсолютное удлинение образца Dl (м, мм) — приращение начальной расчетной длины образца в любой момент испытания;

— предел пропорциональности s_пц (МПа, кгс/мм²) — напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой «нагрузка-удлинение» в точке P_пц с осью нагрузки, увеличивается на 50% от своего значения на упругом (линейном) участке;

— условный предел упругости S_0,05 (МПа, кгс/мм²) — напряжение, после снятия которого остаточное удлинение достигает 0,05% длины участка рабочей части образца, равного базе измерения;

— модуль упругости E (МПа, кгс/мм²) — отношение приращения напряжения к соответствующему приращению деформации в пределах упругой деформации;

— предел текучести физический:

— нижний предел текучести S_т (МПа, кгс/мм²) — наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки;

— верхний предел текучести S_тв (МПа, кгс/мм²) — напряжение, соответствующее первому пику нагрузки, зарегистрированному до начала текучести рабочей части образца;

— предел текучести условный S_0,2 (МПа, кгс/мм²) — напряжение, после снятия которого остаточное удлинение достигает 0,2% длины рабочего участка образца;

— временное сопротивление (предел прочности) S_в (МПа, кгс/мм²) — максимальное напряжение, которое выдерживает образец до разрушения;

— относительное равномерное удлинение d_р (%) — отношение приращения длины участка в рабочей части образца до момента начала образования шейки (в т. в) для пластичных материалов или до разрыва в материалах, у которых шейка не образуется, к длине образца до испытания;

— относительное удлинение после разрыва d (%) — отношение приращения расчетной длины образца Dl_к = (l_к -l₀) после разрушения к начальной расчетной длине l₀;

— относительное сужение после разрыва y (%) — отношение разности начальной F₀ и минимальной конечной F_кплощадей поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения образца F₀;

Для испытаний на растяжение применяют пропорциональные цилиндрические или плоские образцы (рис. 1.1) диаметром или толщиной в рабочей части 3 мм и более. Начальная расчетная длина цилиндрических образцов

l₀ =5d₀, l₀ =10d₀, а образцов квадратного или прямоугольного сечения —

l₀ = 5,65  (короткие) или l₀ = 11,3  (длинные). Применение коротких образцов предпочтительнее.

Образцы из тонких листов и лент толщиной от 0,5 до 3 мм изготавливают в соответствии с ГОСТ 11701-84.

Испытания проводят обычно на двух образцах.

Допускается применение непропорциональных образцов, для которых начальная расчетная длина l₀устанавливается независимо от начальной площади поперечного сечения образца F₀.

Типы и размеры пропорциональных цилиндрических и плоских образцов приведены в приложениях к ГОСТ 1497-84.

Рис. 1. Образцы для испытаний на растяжение: 1 — плоский; 2 — цилиндрический

Форма и размеры головок и переходных частей образцов определяются способом крепления образцов в захватах разрывной машины.

По ГОСТ 1497-84 определяют место вырезки, способ изготовления, качество поверхности, предельные отклонения по размерам образцов.

В качестве испытательных применяют разрывные и универсальные машины различных систем. Машина должна обеспечивать: надежное центрирование образца в захватах, плавность нагрузки, скорость перемещения подвижного захвата не более 0,1 мм/мин до предела текучести и не более 0,4 мм/мин за пределом текучести. Принципиальная схема разрывной машины Р-5 с рычажно-маятниковым силоизмерителем показана на рис. 2 (стрелками на схеме указаны движения элементов машины в процессе нагружения образца).

Испытываемый образец 1 помещают в захваты, один из которых (2) называется активным, а другой (3) — пассивным. Активный за­хват располагается на подвижной траверсе 4, в которой имеются застопоренные (не вращающиеся) гайки 5. Привод активного захвата (создание силы Р ) осуществляется электромеханическим путем: вращательное движение вала электродвигателя 6 через червячный редуктор 7 и шестерни 8 и 9 передается винтам 10; вращаясь в застопоренных гайках, винты заставляют траверсу перемещаться поступательно.

На опоре11 верхней неподвижной траверсы установлен рычаг 12 маятникового силоизмерителя, связанный с тягой 13 пассивного захвата 3. Через систему рычагов и тяг силоизмерителя 12 — 16 нагруз­ка Р, действующая на образец, уравновешивается силой G маятникового груза 17. Отклонение маятника от начального положения (когда Р = 0) фиксируется по отсчетному устройству 18 со шкала­ми, проградуированными по силе Р .

При отклонении маятника поводок 19, жестко соединенный с рычагами 15 и 16 маятника, перемещает зубчатую рейку 20, которая вращает шестерню 21, сидящую на одной оси с рабочей стрелкой 22 отсчетного устройства силоизмерителя. При перемещении рабочая стрелка ведет за собой контрольную стрелку, которая фиксирует максимальное усилие. На циферблате отсчетного устройства нанесены три шкалы (А, Б и В), соответствующие различным диапазонам нагрузок (маши­на может быть настроена на создание предельных нагрузок: 1000, 2500 и 5000 кгс соответственно).

На одной оси с шестерней и рабочей стрелкой указателя на­грузок установлен шкив 23, который с помощью гибкого тросика 24 перемещает перо 25 самописца.

Для записи диаграммы Р = f(Dl) используют специальную бумажную ленту 26 (ЛПГ 320, ГОСТ 7836-75) с величиной наименьших делений 1,6 мм.

Одно такое деление по оси ординат (сила Р) при наладке машины на предельную нагрузку 1000 кгс соответствует 5 кгс, на 2500 кгс — 12,5 кгс, на 5000 кгс — 25 кгс.

При растяжении образца перемещению активного захвата в 1 мм будет соответствовать перемещение ленты по оси абсцисс (аб­солютная деформация Dl ) на 10, 50 или 100 мм.

Желаемый масштаб Dl (10:1, 50:1 или 100:1) обеспечивается настройкой масштабного преобразователя 27, который является на­страиваемым редуктором, передающим вращение на барабан 28 ленто­протяжного механизма от шестерни 29 через валик 30 и пару кони­ческих шестерен 31.

Одновременно деформация может контролироваться специальным счетчиком 32, одна единица показаний которого соответствует 0,2 мм перемещения подвижной траверсы 4.

Движение активного захвата без нагрузки может происходить с различной скоростью (от 1 до 100 мм/мин), которая контролиру­ется прибором 33.

Рис. 2. Принципиальная схема разрывной машины

Показанный на схеме груз 34 служит для возврата в исходное положение (к нулю) рабочей стрелки 22 и пера 25 при снятии на­грузки.

На этой же машине, применяя специальное приспособление, мож­но испытывать металлы на сжатие и изгиб.

Диаграмма деформации при растяжении

Записывающее устройство разрывной машины графически изобра­жает зависимость между действующей осевой нагрузкой и абсолютной деформацией образца.

На рис. 3 даны типичные диаграммы растяжения различных металлов. Первая диаграмма на рис. 3 свойственна большинству металлов и сплавов. Для малоуглеродистой отожженной стали и некоторых отож­женных бронз характерна вторая диаграмма с площадкой текучести, которая приве­дена на рис. 3. Хрупкие металлы (чугун и др.) разрушаются при малых пластических деформациях (рис. 3, третья диаграмма).

Рис. 3. Диаграммы растяжения различных металлов

Характерные участки и точки диаграммы растяжения показаны на рис. 4.

Первый участок диаграммы 0P представляет собой прямую линию, т.е. между Р и Dl соблюдается закон Гука. Напряжение в точке Р есть предел пропорциональности  .

При дальнейшем увеличении силы прямолинейная зависимость нарушается.

Несколько выше точки Р находится точка «е». Напряжение в точке «е» есть предел упругости s_0,05, который вычисляют по формуле

 . (1)

Предел упругости s_0,05 , как и предел пропорциональности, определяется расчетным или графическим способом.

Точно так же определяется и модуль упругости Е, МПа (кгс/мм²):

 . (2)

Рис. 4. Характерные участки и точки диаграммы растяжения

За точкой «е» возникают заметные остаточные деформации, в точке S наблюдается переход к горизонтальной площадке S-S¢ (площадка текучести). Для участка S-S¢ характерен рост дефор­мации без заметного увеличения нагрузки. Если обозначить вели­чину нагрузки, соответствующую площадке текучести, через Р_т, то напряжение в этой точке можно вычислить по формуле

 , (3)

что и является физическим пределом текучести.

Следует отметить, что иногда (особенно это характерно для малоуглеродистой стали) на площадке текучести появляется «зуб» или низкочастотные колебания нагрузки. Это объясняется особен­ностями строения испытываемых материалов.

В этом случае предел те­кучести определяется по верхней точке амплитуды «зуба» («зубь­ев») и называется верхним пределом текучести (рис. 5).

Для материалов, не имеющих на диаграмме площадки текучести, определяют условный предел текучести

 . (4)

Рис. 5. Определение верхнего предела текучести

Для нахождения величины Р_0,2 в масштабе диаграммы по оси абсцисс вправо от точки 0 (рис. 1.6) откладывают отрезок ОЕ, равный 0,002l₀, что составляет 0,2% от l₀, и из точки Е проводят прямую, параллельную прямой ОР, до пересечения с кривой растяжения в точке S . Ор­дината этой точки определяет нагрузку Р_0,2.

За площадкой текучести происходит упрочнение материала, и сопротивление деформации увеличивается, поэтому наблюдается увеличение нагрузки на кривой растяжения. До точки «в» образец деформируется равномерно.

Наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, обозначается Р_в = Р_max. Напряжение в точке «в» называется временным сопротивлением, или пределом прочности:

 . (5)

После точки «в», соответствующей максимальной силе Р_в, происходит заметное местное сужение образца (образуется шейка). Если до этого образец имел цилиндрическую форму, то теперь растяжение образца сосредотачивается в области шейки. На участке в-к сечение образца быстро уменьшается, вследствие чего уменьшается растягивающая нагрузка. В точке «к» образец разрывается по наименьшему сечению шейки F_к.

Показателем пластичности материала является его абсолютное остаточное удлинение l_ост при разрыве (см. рис. 4, отрезок 0А₁), так как упругая деформация (отрезок А₁А₂) исчезает после разрыва:

Dl_ост =l_к — l₀ . (1.6)

Рис. 6. Определение местоположения точки S, соответствующей условному пределу текучести

Размеры испытуемых образцов могут быть различными, поэтому характеристикой пластичности образца является не его абсолютное, а относительное остаточное удлинение после разрыва

 . (7)

Другой характеристикой пластичности металла является относительное сужение Y после разрыва, выраженное в процентах:

 . (8)

При определении s_пц, s_0,05, s_т и s_в соответствующую им нагрузку Р делим на начальную площадь поперечного сечения образца F₀. Напряжения эти называются условными. Однако при растяжении образца площадь поперечного сечения уменьшается. Напряжения, определенные по отношению при­ложенной нагрузки к действительной площади поперечного сечения образца в момент приложения этой нагрузки, называются истинными напряжениями:

 . (9)

Диаграмма растяжения Р–Dl характеризует поведение образца из испытываемого материала с определенными геометрически­ми размерами. Чтобы исключить влияние размеров, диаграмму Р–Dl перестраивают в диаграмму s–e , где  — напряжение,  – относительная деформация. Диаграмма s–e – это та же диаграмма Р–Dl, построенная в масштабе 1/F₀ по оси ординат и в масштабе 1/l₀ – по оси абсцисс.

Как уже было сказа­но, для точного определения s_пц, s_0,05 и s_0,2 используются специальные тензометры и электрические силоизмерители. С меньшей точностью эти характерис­тики можно определить, воспользовавшись машинны­ми диаграммами и простейшим мерительным инструментом (линейка, штангенциркуль, микрометр).

Рис. 7. Определение местоположения точки Р, соответствующей пределу пропорциональности

Графическое определе­ние местоположения точки Р предела пропорциональ­ности состоит в следующем (рис. 7).

Произвольной горизонтальной прямой пере­секают кривую растяжения на линейном участке. Полученный отрезок ас де­лят на две равные части. Откладывают отрезок сd, который равен половине отрезка ас: ав=вс=сd. Из начала координат 0 проводят луч через точку d. Точку Р, соответствующую пределу пропорциональности, находят построением касатель­ной к кривой растяжения, параллельной лучу 0d.

Значение предела упругости s_0,05 принимается равным значению полученного предела пропорциональности s_пц из-за незначи­тельного различия между ними.

Численные значения механических характеристик позволяют оценить прочностные и пластические свойстве испытанного материала

Оценка прочности и пластичности

Мате­риал	sв	Уровень прочности	d ,%	Уровень пластичности
кгс/мм2	МПа	пластичности
Стали	140-200 и более	1400-2000 и более	высокопроч­ные	>40	высоко- плас­тичные
80-140	800-1400	прочные	20-40	пластичные
20-80	200-800	средней прочности	10-20	средней пластичности
<20	<200	малопрочные	<10	малопластич­ные
Алюминиевые сплавы	>50	>500	высокопроч­ные	25-35	повышенной пластичности
35-40	350-400	нормальной прочности	20-25	пластичные
<35	<350	малопрочные	<20	малопластичные

Оценка прочности и пластичности

Материал	Sв	Уровень прочности	d ,%	Уровень пластичности
кгс/мм2	МПа	пластичности
Стали	140-200 и более	1400-2000 и более	высокопрочные	>40	высоко- пластичные
80-140	800-1400	прочные	20-40	пластичные
20-80	200-800	средней прочности	10-20	средней пластичности
<20	<200	малопрочные	<10	малопластичные
Алюминиевые сплавы	>50	>500	высокопрочные	25-35	повышенной пластичности
35-40	350-400	нормальной прочности	20-25	пластичные
<35	<350	малопрочные	<20	малопластичные

При растяжении образца до разрушения графически фиксируют зависимости между приложенным уси­лием и удлинением образца, получая диаграммы дефор­мации (рис. 8).

Рис. 8. Диаграмма деформации материала

Деформация образца при нагружении сначала является макроупругой, а затем постепенно и в разных зернах при неодина­ковой нагрузке переходит в пластическую, происходящую путем сдвигов по дислокационному механизму. Накопление дислокаций в результате деформации ведет к упрочнению металла, но при значительной их плотности, особенно в отдельных участках, возникают очаги разрушения, приводящие в конечном счете к пол­ному разрушению образца в целом.

При испытании на растяжение согласно ГОСТ 1497-84 определяют следующие ха­рактеристики:

1. Предел пропорциональности σ_пц – отвечает напряжению, при котором отклонение от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой нагрузка-удлинение в точке Р_пц с осью нагрузок увеличивается на 50 % от своего значения на упругом (линейном) участке. На рис. 4 показано определение предела пропорциональности графическим способом. В этом случае из начала координат диаграммы растя­жения, записанной от электрического силоизмерителя и измери­теля деформации, проводят прямую, совпадающую с начальным линейным участком этой диаграммы. Затем на произвольном уровне проводят прямую АВ,параллельную оси абсцисс, и на ней откладывают отрезок rn равный половине отрезка mr. Через точку п и начало координат проводят прямую On и параллельно ей – касательную CD к диаграмме растяжения. Точка касания определяет нагрузку Р_пц в ньютонах, отвечающую пределу про­порциональности:

где F_o – начальное поперечное сечение образца.

Размеры пропорциональных цилиндрических образцов III типа и плоских образцов для испытания на растяжение приведены в табл. 1 и табл. 2 соответственно.

Таблица 1

Размеры пропорциональных цилиндрических образцов III типа, мм

Номер образца	d0	l0=5d0	l=10d	D	h1	h2	r
1	25	125	250	45	30	5	5
2	20	100	200	34	25	5	5
3	15	75	150	28	20	3	3
4	10	50	100	16	10	3	3
5	8	40	80	13	10	3	2
6	6	30	60	12	10	2,5	1,5
7	5	25	50	11	10	2,5	1,5
8	4	20	40	9	8	2,5	1,5
9	3	15	30	7	7	2,0	1,5

Таблица 2

Размеры пропорциональных плоских образцов, мм

Номер образца	a0	b0	l0=5,65	l0=11,3	B	h1
1	25	30	155	310	40	100
2	24	30	155	310	40	100
3	23	30	150	300	40	90
4	22	30	145	290	40	90
5	21	30	140	280	40	80
6	20	30	140	280	40	80
7	19	30	135	270	40	80
8	18	30	130	260	40	80
9	17	30	125	250	40	80
10	16	30	125	250	40	80
11	15	30	120	240	40	70
12	14	30	115	230	40	70
13	13	30	110	220	40	70
14	12	30	105	210	40	60
15	11	30	105	210	40	60
16	10	30	100	200	40	60
17	9	30	90	180	40	50
18	8	30	85	170	40	50
19	7	20	70	140	40	50
20	6	20	65	130	40	50
21	5	20	60	120	40	50
22	4	20	50	100	40	50
23	3	20	45	90	30	40

2. Предел упругости а_0,05 – напряжение, при котором оста­точное удлинение достигает 0,05 % длины участка рабочей части образца, равного базе тензометра. Определяют предел упругости расчетным (по разгрузке и нагрузке) и графическим способами. При использовании способа нагрузки с допуском на величину полного удлинения (упругого + остаточного) образец после уста­новки на него тензометра нагружают равными ступенями до нагрузки, соответствующей напряжению 70-80 % от предпола­гаемого предела упругости σ_0,05. Дальнейшее нагружение про­водят более мелкими ступенями с выдержкой не более 7 с.

Вычисляют величину допуска на полное удлинение суммиро­ванием определенного среднего упругого удлинения и рассчитан­ного остаточного удлинения.

Определяют нагрузку Р_0,05, соответствующую установленному допуску на полное удлинение образца. Для уточнения значения Р_0,05 допускается применение метода линейной интерполяции.

Графическим способом предел упругости σ_0,05 определяют _по начальному участку диаграммы растяжения, записанной от электрических силоизмерителя и измерителя деформации (рис. 9). Удлинение определяется на участке, равном базе измерителя деформации.

Для определения нагрузки Р_0,05 вычисляют соответствующее остаточное удлинение с учетом базы измерителя деформации. Найденное значение увеличивают пропорционально масштабу диаграммы по оси абсцисс вправо от начала координат О. Из точки Е проводят прямую ЕР, параллельную прямой ОА. Точка пере­сечения Р с диаграммой растя­жения определяет искомую на­грузку Р_0,05. Масштаб по оси удлинения должен быть не менее 100 : 1 при базе измери­теля деформации 50 мм и более и не менее 200 : 1 при базе из­мерителя менее 50 мм; по оси нагрузки 1 мм диаграммы дол­жен соответствовать не более 10 МПа.

Предел упругости σ_0,05 вы­числяют по формуле, МПа:

.

Рис. 9. Схема определения предела про­порциональности σ_пц при растяжении

Рис. 10. Схема определения предела упру­гости σ_0,05 при растяжении

3. Модуль упругости Е – отношение приращения напря­жения к соответствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации; модуль упругости определяют расчетным способом с помощью тензометров и графическим способом по начальному участку диаграммы растяжения, записанной от элек­трических силоизмерителя и измерителя деформации.

Модуль упругости вычисляют по формуле, МПа:

,

где – приращение нагрузки;– среднее приращение удлинения;– начальная расчетная длина образца;F_о – на­чальная площадь поперечного сечения.

4. Предел текучести физический (нижний предел текучести) – наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.

Верхний предел текучести – напряжение, соответству­ющее верхнему пику нагрузки, зарегистрированному до начала текучести рабочей части образца.

Предел текучести (условный) – напряжение при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики. Упомянутые пределы текучести определяют по диаграмме растяжения, полученной на испытательной машине, если 1 мм диаграммы по оси нагрузок соответствует не более 10 МПа:

МПа

Соответствующие нагрузки Р_т, Р_тв, Р_тн для различных видов диаграммы растяжения представлены на рис. 6.

Предел текучести условный определяют расчетным спосо­бом с применением тензометров так же, как и предел упругости. Для определенияграфическим методом сначала вы­числяют величину остаточного удлинения с учетом установленного допуска исходя из рабочей длины образца. Найденное значение увеличивают про­порционально масштабу диаграммы рас­тяжения и полученный отрезок длины откладывают по оси удлинения от точки О до точки Е (см. рис. 11). Из точки Е проводят прямую параллельно прямой ОА. Точка пересечения Р с диаграммой растяжения определяет нагрузку Р_0,2, соответствующую условному пределу те­кучести , МПа:

.

Рис. 11. Схема определения предела текучести при растяжении 

Условный предел текучести определяют только при отсутствии на диаграмме растяжения площадки текучести.

5. Временное сопротивление (предел прочности) σ_в – напря­жение, соответствующее наибольшей нагрузке Р_тах, предшеству­ющей разрыву образца. Временное сопротивление вычисляют по формуле, МПа:

6. Относительное удлинение (после разрыва) – одна из харак­теристик пластичности материалов, равная отношению прираще­ния расчетной длины образца после разрушения к начальной расчетной длине,%:

7. Относительное равномерное удлинение – отношение приращения длины участков в рабочей части образца после разрыва к длине до испытания, выраженное в процентах.

8. Относительное сужение после разрыва , как и относи­тельное удлинение – характеристика пластичности материала и определяется как отношение разности F_o и минимальной F_к площади поперечного сечения образца после разрушения к на­чальной площади поперечного сечения F_o,выраженное в про­центах.

Литература:

1. Конструкционное материаловедение/ Борисевич В.К., Виноградский А.Ф., Карпов Я.С., Самойлов В.Я., Семишов Н.И.: В 2 кн. Х.: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», 2001. Кн. 1. Металлы и сплавы. 456 с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990. 528 с.

3. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977. 647 с.

4. Борисевич В.К., Виноградский А.Ф., Семишов Н.И. Конструкционное материаловедение. Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1998. 404 с.

5. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1977. 407 с.

6. Мозберг Р.К. Материаловедение. Таллин: Валгус, 1976. 554 с.

7. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. М.: Металлургия, 1984. 367 с.

8. Сазоненко Н.Д., Горбань В.П., Каныгин С.Л. Свойства и применение нержавеющих, жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов в авиадвигателестроении: Учеб. пособие. Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1994. 30 с.

9. Свойства и применение сплавов алюминия, магния, бериллия в авиастроении: Учеб. пособие/ Горбань В.П., Рева Л.С., Сазоненко Н.Д., Кириченко Л.Р., Каныгин С.Л. Х. :Харьк. авиац. ин-т, 1994. 62 с.

14Ноя

• 
  By:
• 
  Без рубрики

• Comment: 0

Содержание статьи

1. Предел прочности
2. Как производится испытание на прочность
3. Виды ПП
4. Предел прочности на растяжение стали
5. Предел текучести и временное сопротивление
6. Усталость стали
7. Предел пропорциональности
8. Как определяют свойства металлов
9. Механические свойства
10. Классы прочности и их обозначения
11. Формула удельной прочности
12. Использование свойств металлов
13. Пути увеличения прочностных характеристик

При строительстве объектов обязательно необходимо использовать расчеты, включающие подробные характеристики стройматериалов. В обратном случае на опору может быть возложена слишком большая, непосильная нагрузка, из-за чего произойдет разрушения. Сегодня поговорим о пределе кратковременной прочности материала при разрыве и натяжении, расскажем, что это такое, его определение и обозначение, как работать с этим показанием.

Что это значит

ПП – будем использовать это сокращение, а также можно говорить об официальном сочетании «временное сопротивление» – это максимальная механическая сила, которая может быть применена к объекту до начала его разрушения. В данном случае мы не говорим о химическом воздействии, но подразумеваем, что нагревание, неблагоприятные климатические условия, определенная среда могут либо улучшать свойства металла (а также дерева, пластмассы), либо ухудшать.

Ни один инженер не применяет при проектировании крайние значения, потому что необходимо оставить допустимую погрешность – на окружающие факторы, на длительность эксплуатации. Рассказали, что называется пределом прочности, теперь перейдем к особенностям определения.

Как производится испытание

Изначально особенных мероприятий не было. Люди брали предмет, использовали его, а как только он ломался, анализировали поломку и снижали нагрузку на аналогичное изделие. Теперь процедура гораздо сложнее, однако, до настоящего времени самый объективный способ узнать ПП – эмпирический путь, то есть опыты и эксперименты.

Все проверки проходят в специальных условиях с большим количеством точной техники, которая фиксирует состояние, характеристики подопытного материала. Обычно он закреплен и испытывает различные воздействия – растяжение, сжатие. Их оказывают инструменты с высокой точностью – отмечается каждая тысячная ньютона из прикладываемой силы. Одновременно с этим фиксируется каждая деформация, когда она происходит. Еще один метод не лабораторный, а вычислительный. Но обычно математический анализ используется вместе с испытаниями.

Определение термина

Образец растягивается на испытательной машине. При этом сначала он удлиняется в размере, а поперечное сечение становится уже, а затем образуется шейка – место, где самый тонкий диаметр, именно здесь заготовка разорвется. Это актуально для вязких сплавов, в то время как хрупкие, к ним относится чугун и твердая сталь, растягиваются совсем незначительно без образования шейки. Подробности посмотрим на видео:

Виды ПП

Временное сопротивление разрыву определяют по различным воздействиям, согласно этому его классифицируют по:

• сжатию – на образец действуют механические силы давления;
• изгибу – деталь сгибают в разные стороны;
• кручению – проверяется пригодность для использования в качестве крутящегося вала;
• растягиванию – подробный пример проверки мы привели выше.

Предел прочности на растяжение стали

Стальные конструкции давно заменили прочие материалы, так как они обладают отличными эксплуатационными характеристиками – долговечностью, надежностью и безопасностью. В зависимости от применяемой технологии, он подразделяется на марки. От самой обычной с ПП в 300 Мпа, до наиболее твердой с высоким содержанием углерода – 900 Мпа. Это зависит от двух показателей:

• От способов термообработки – отжиг, закалка, криообработка.
• Какие примеси содержатся в составе. Одни считаются вредными, от них избавляются для чистоты сплава, а вторые добавляют для укрепления.

Предел прочности материала: что называют текучестью

Новый термин обозначается в технической литературе буквой Т. Показатель актуален исключительно для пластичных образцов и показывает, как долго он может деформироваться без увеличения на него внешней нагрузки.

Обычно после преодоления этого порога кристаллическая решетка сильно меняется, перестраивается. Результатом выступают пластические деформации. Они не являются нежелательными, напротив, происходит самоупрочнение сплава.

Усталость стали

Обозначается буквой R. Это аналогичный параметр, то есть он определяет, какая сила может воздействовать на элемент, но не в единичном случае, а в цикле. То есть на подопытный эталон циклично, раз за разом действуют определенные давления. Среднее количество повторений – 10 в седьмой степени. Именно столько раз металл должен без деформирования и потери своих характеристик выдержать воздействие.

Если проводить эмпирические испытания, то потребуется множество времени – нужно проверить все значения векторной величины, прикладывая ее по множеству циклов. Поэтому обычно коэффициент рассчитывается математически.

Величины

Ниже разберемся в понимании и видах.

Статический

По определению ГОСТа 1497-84 его называют временным сопротивлением разрушению. Иначе говоря, сильное напряжение, которое действует на материал перед его деформацией или дроблением. Временной отрезок процесса составляет не более 10 секунд. Терминология происходит из понимания, ко которому материал может длительно выдерживать напряжение.

Динамический

Величина переменного механического напряжения. Если превысить порог, оно разрушит тело из определенного вещества. Время воздействия до разрушения обычно не более нескольких секунд. Поэтому такую характеристику принято называть условно-мгновенной или хрупко-кратковременной.

Предел прочности на сжатие

Это порог величины для переменного или постоянного предела прочности механического напряжения. В результате его превышения механическое напряжение может сжать тело из определенного вида материала. Что приведет к разрушению тела либо деформируется.

При изгибе

В процессе испытания напряжение, возникающее в материале по причине изгибания, называют поперечной прочностью на разрыв. Его оценка производится с помощью метода трехточечного изгиба – материал прямоугольного либо круглого сечения деформируется до разрушения. Оно означает максимальное напряжение, которое оказывает воздействие в момент текучести.

Значения прочности на разрыв веществ и металлов.

Материал, вещество	Прочность на разрыв 109 дин/см2	Материал, вещество	Прочность на разрыв 109 дин/см2
Кальций	0,42–0,6	Кетгут	4,2
Сварочное железо	2,9–4,5	Алюминий	2,0–4,5
Алюминий (литой)	0,9–1,0	Кожаный ремень	0,3–0,5
Алюминий (листовой)	0,9–1,5	Пеньковая веревка	0,6–1,0
Сталь отпущенная	9,3–10,8	Золото	2,0–2,5
Сталь рессорная	7,0–7,7	Отожженная медь	2,8–3,1
Сталь литая	4,0–6,0	Латунь	3,5–5,5
Сталь мягкая (0,2%C)	4,3–4,9	Холоднотянутая медь	4,0–4,6
Сталь никелевая 5% Ni	8,0–10,0	Железо на древесном угле
Чугун	1,0–2,3	Проволоки
Литая медь	1,2–1,7	Термопластичная пластмассы	0,28–0,70
Листовая медь	2,0–4,0	Термореактивные	0,42–1,5
Прессованный магний	1,7–1,9	Кварцевая нить	около 10
Литой магний	0,6–0,8	Шелковая нить	2,6
Кобальт	2,6–7,5	Паутина	1,8

Предел пропорциональности

Это показатель, определяющий длительность оказываемых нагрузок к деформации тела. При этом численные характеристики должны изменяться в разный степени по закону Гука. Простыми словами: чем больше оказывается сжатие (растяжение), тем сильнее деформируется образчик.

Параметр каждого из них находится между абсолютной и классической упругостью. То есть если изменения обратимы, после того как сила перестала действовать (форма прежняя – пример, сжимание пружины), то такие качества нельзя называть пропорциональными.

Как определяют свойства металлов

Проверяют не только то, что называется пределом прочности, но и такую характеристику стали как твердость. Испытания проводят следующим образом: в образец вдавливают шарик или конус из алмаза – наиболее прочной породы. Чем крепче материал, тем меньше след остается. Более глубокие, с широким диаметром отпечатки остаются на мягких сплавах. Еще один опыт – на удар. Воздействие оказывается только после заранее сделанного надреза на заготовке. То есть разрушение проверяется для наиболее уязвимого участка.

Механические свойства

Различают 5 характеристик:

• Пластичность – это возможность деформироваться, менять форму, но сохранять внутреннюю структуру.
• Твердость – готовность встретиться с более твердым материалом и не получить значительных ущербов.
• Ударная вязкость – способность сопротивляться ударам.
• Усталость – длительность сохранения качеств под действием цикличных нагрузок.
• Предел прочности стали при растяжении и на разрыв – это обозначение временного сопротивления внешним силам, напряжения (МПа), возникающего внутри.

Классы

Все категории записаны в нормативных документах – ГОСТах, по ним все российские предприниматели изготавливают любой металлопрокат и прочие металлические изделия. Вот соответствие обозначения и параметра в таблице:

Класс	Н/мм2
265	430
295	430
315	450
325	450
345	490
355	490
375	510
390	510
440	590

Видим, что для некоторых классов остаются одинаковыми показатели ПП, это объясняется тем, что при равных значениях у них может различаться текучесть или относительное удлинение. В зависимости от этого возможна различная максимальная толщина металлопроката.

Формула предельной прочности для механического напряжения

R с индексом «у» – обозначение данного параметра в физике. Рассчитывается как ПП (в записи – R) поделенное на плотность – d. То есть этот расчет имеет практическую ценность и учитывает теоретические знания о свойствах стали для применения в жизни. Инженеры могут сказать, как меняется временное сопротивление в зависимости от массы, объема изделия. Логично, что чем тоньше лист, тем легче его деформировать.

Формула выглядит так:

Ry = R/d

Здесь будет логичным объяснить, в чем измеряется прочность материала и что понимается под удельным пределом  металла. В Н/мм2 – это вытекает из предложенного алгоритма вычисления.

Использование свойств металлов

Два важных показателя – пластичность и ПП – взаимосвязаны. Материалы с большим первым параметром намного медленнее разрушаются. Они хорошо меняют свою форму, подвергаются различным видам металлообработке, в том числе объемной штамповке – поэтому из листов делают элементы кузова автомобиля. При малой пластичности сплавы называют хрупкими. Они могут быть очень твердыми, но при этом плохо тянуться, изгибаться и деформироваться, например, титан.

Сопротивление

Есть два типа:

• Нормативное – прописано для каждого типа стали в ГОСТах.
• Расчетное – получается после вычислений в конкретном проекте.

Первый вариант скорее теоретический, для практических задач используется второй.

Пути увеличения прочностных характеристик

Есть несколько способов это сделать, два основных:

• добавка примесей;
• термообработка, например, закал.

Иногда они используются вместе.

Общие сведения о сталях

Все они обладают химическими свойствами и механическими. Ниже подробнее поговорим о вариантах увеличения прочности, но для начала представим схему, на которой представлены все разновидности:

Также посмотрим более подробное видео:

Углерод

Чем больше углеродность вещества, тем выше твердость и меньше пластичность. Но в составе не должно быть более 1% химического компонента, так как большее количество приводит к обратному эффекту.

Марганец

Очень полезная добавка, но при массовой доле не более двух процентов. Обычно Mn добавляют для улучшения качеств обрабатываемости. Материал становится более подвержен ковке и свариванию. Это объясняется вытеснением кислорода и серы.

Кремний

Эффективно повышает прочностные характеристики, при этом не затрагивая пластичность. Максимальное содержание – 0,6%, иногда достаточно и 0,1%. Хорошо сочетается с другими примесями, в совокупности можно увеличить устойчивость к коррозии.

Азот и кислород

Если они попадают в сплав, но ухудшают его характеристики, при изготовлении от них пытаются избавиться.

Легирующие добавки

Также можно встретить следующие примеси:

• Хром – увеличивает твёрдость.
• Молибден – защищает от ржавчины.
• Ванадий – для упругости.
• Никель – хорошо влияет на прокаливаемость, но может привести к хрупкости.

Эти и другие химические вещества должны применяться в строгих пропорциях. В статье мы рассказали про предел прочности металла (кратковременное сопротивление материала) – что это, формулы, как определяется и обозначается сигма B при растяжении и сжатии в единицах измерения. А также дали несколько таблиц, которыми можно пользоваться при работе. В качестве завершения давайте посмотрим видеоролик:

После того, как ознакомитесь со статьей, можете ознакомиться с нашим ассортиментом ленточнопильных изделий. Компания «Рокта» уже 15 лет на российском рынке. За это время мы охватили практически все города страны. Чтобы уточнить интересующую вас информацию, свяжитесь с нашими менеджерами по телефонам 8 (908) 135-59-82; (473) 239-65-79; 8 (800) 707-53-38. Они ответят на все ваши вопросы.

Как найти предел прочности

Предел прочности представляет собой механическое напряжение σB, по достижении которого вследствие воздействия на предмет материал начинает разрушаться. Более правильным термином для этого явления, принятым ГОСТом, является определение «временное сопротивление разрушению», обозначающее напряжение, соответствующее максимальному усилию, после которого произойдет разрыв опытного образца при проводимых испытаниях.

Инструкция

Предел прочности определяется, исходя из той теории, что любой материал в состоянии бесконечно долгое время выдерживать статическую нагрузку любой силы, если она образует напряжения, количественная величина которых не превышает временное сопротивление. Если на материал оказывается сопротивление, которое равно временному напряжению, разрушение опытного образца случится через неопределенный конечный временной промежуток.

Для измерения предела прочности применяют также понятия пределов текучести, пропорциональности, выносливости и др. Значение временного сопротивления разрушению на растяжение материала и на его сжатие для разных веществ существенно различаются. Для хрупких материалов, к которым относится керамика, предел прочности на сжатие больше его значения на растяжение, для композитных материалов характерна противоположная ситуация, а пластмассы и металлы обычно показывают одинаковый предел прочности в обоих направлениях.

Чтобы вычислить предел прочности, необходимо знать силу, которая возникает в теле при деформации предмета, и площадь воздействия на предмет сторонней силы. Механическое напряжение в определенной точке равно отношению внутренней силы в ньютонах к единице площади в определенной точке сечения в м2. Т.е. внешнее воздействие направлено на изменение положения частиц вещества относительно друг друга, а то напряжение, которое возникает в веществе при этом, мешает этому изменению местоположения и ограничивают его распространение. Выделяют нормальное и касательное механическое напряжение, которые разнятся по направлению приложения силы.

В виде формулы σB выражается как Q = FS, где S — это площадь воздействия, а F — сила деформации, образовавшаяся в теле.Максимально возможное число механического напряжения для конкретного вещества и является пределом его прочности. Так пределом для стали будет 24000 МПа, а пределом напряжения для нейлона — 500 МПа.

Войти на сайт

или

Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?

Предел прочности
при сжатии (Р_сж) и растяжении (R_p)
определяется по формуле

(1.14)

где Р — разрушающая
нагрузка, Н(кгс); S — площадь
поперечного сечения образца, мм²
(см²); R_сж(р) —
предел прочности при сжатии или
растяжении, МПа (кгс/см²).

Для определения
предела прочности при сжатии образцы
материала подвергают действию сжимающих
внешних сил и доводят до разрушения.
Испытание проводят на гидравлическом
прессе, но вначале образец обмеряют с
точностью до 1мм. Во время испытания
необходимо зафиксировать момент
разрушения образца. При этом стрелка
манометра пресса укажет на значение
разрушающей нагрузки (Р, кгс).

Каждый материал
испытывают не менее чем на трех образцах.
За окончательный результат принимают
среднее арифметическое результатов
испытаний трех образцов.

Испытуемые образцы
должны быть правильной геометрической
формы (куб, цилиндр, параллелепипед).
Форма и размеры образцов различных
строительных материалов должны
соответствовать требованиям ГОСТа для
каждого вида материала.

2.2. Сопротивление удару

Сопротивление
удару характеризует способность
материала противостоять ударным
воздействиям. На сопротивление удару
испытывают те каменные материалы,
которые в процессе эксплуатации
подвергаются динамическим нагрузкам
(материалы для полов и дорожных покрытий).

Испытание на удар
обычно проводят на копрах. Груз, падающий
с различных высот, ударяет по образцу.
Суммарная работа нескольких сбрасываний
А, Дж, затраченная на разрушение образца
и отнесенная к объему материала V, см³,
характеризует сопротивление материала
удару, Дж/см³.

Показателем
сопротивления образца удару служит
порядковый номер удара, при котором
образец разрушился. Прочность при

ударе вычисляется
как среднее арифметическое результатов
испытаний по формуле

(1.15)

где m
— масса молота, кг; h — высота
падения груза на образец (соответствует
порядковому номеру удара), см; V
— объем образца, см³.

2.3. Коэффициент конструктивного качества

Для оценки
технической эффективности строительных
материалов применяют показатель
коэффициента конструктивного
качества (К.К.К.), определяемого
отношением предела прочности при сжатии
(R_сж, МПа) к величине
средней плотности (_m,
кг/м³):

. (1.16)

Лучшие конструкционные
материалы имеют высокую прочность при
низкой средней плотности. В частности,
применение легких и прочных материалов
с относительно высоким К.К.К. облегчает
устройство фундаментов и оснований
зданий. Кроме того, К.К.К. косвенно
характеризует материалоемкость
строительной продукции.

После завершения
лабораторной работы необходимо выполнить
комплексную оценку качества строительного
материала по основным свойствам,
определить условия эксплуатации в
зданиях и сооружениях.

Лабораторная работа № 2

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ПРИРОДНЫХ КАМЕННЫХ
МАТЕРИАЛОВ

Цель работы:
определить происхождение, минеральный
состав, основные свойства природных
каменных материалов и установить области
их применения в строительстве.

Материалы и
оборудование:

1.Коллекция минералов
и горных пород.

2.Лупа.

3.Стальная игла
или стальной нож.

4.Шкала твердости.

5.Линейка.

6.Стеклянная
пластинка.

Общие сведения

Материалы и изделия
из естественного камня, применяемые в
строительстве и архитектуре, имеют
различное происхождение и минеральный
состав, что, в свою очередь, предопределяет
их физико-технические и декоративные
свойства.

Классификация
горных пород по генетическому происхождению
приведена в табл.2.1.

Таблица 2.1

Классификация горных пород

Магматические (изверженные породы)	Осадочные породы	Метаморфические породы
1. Массивные 1.1. Глубинные – гранит, сиенит, диорит, габрдорит, габбро. 1.2. Излившиеся – кварцевые порфиры, порфириты, трахит, андезит, диабаз, базальт	1.Химические осадки – гипс, ангидрит, магнезит, доломит, известковый туф (травертин)	1.Магматические – гнейс
2. Обломочные. 2.1. Рыхлые – вулканический пепел и пемза. 2.2. Цементированные – туфы вулканические	2. Механические отложения. 2.1. Рыхлые – глина, песок, гравий, валуны. 2.2. Цементированные – песчаник, конгломераты, брекчия	2. Осадочные – мрамор, кварцит, глинистые сланцы
3. Органогенные образования. 3.1. Зоогенные – мел, ракушечник, известняк. 3.2. Фитогенные — диатомит, опока, трепел

Горные породы
представляют собой сочетание разных
минералов. Например, гранит (полиминеральная
порода) содержит много минералов, но
основными являются полевой шпат, кварц
и слюда (черная или белая). В ряде случаев
порода может быть сложена из одного
минерала (мономинеральная порода),
например гипс, известняк, мел.

Минерал
(от латинского minera –
руда) — природное тело, однородное по
химическому составу, строению и физическим
свойствам, образующееся в результате
физико-химических процессов на поверхности
и в глубинах земли. В основном минералы
представляют собой твердые тела:
кристаллические или аморфные.

При изучении
природных каменных материалов необходимо
установить их происхождение и минеральный
состав, детально ознакомиться с внешними
декоративными свойствами (цвет, блеск,
текстура, структура и др.) и физико-техническими
показателями (средняя плотность,
пористость, водопоглощение, прочность,
твердость, истираемость, водостойкость,
морозостойкость и др.), определить
области их применения в строительстве.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #