Как найти предел прочности при разрыве

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.

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:

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.

From Wikipedia, the free encyclopedia

Ultimate tensile strength (also called UTS, tensile strength, TS, ultimate strength or in notation)^[1][2][3] is the maximum stress that a material can withstand while being stretched or pulled before breaking. In brittle materials the ultimate tensile strength is close to the yield point, whereas in ductile materials the ultimate tensile strength can be higher.

The ultimate tensile strength is usually found by performing a tensile test and recording the engineering stress versus strain. The highest point of the stress–strain curve is the ultimate tensile strength and has units of stress. The equivalent point for the case of compression, instead of tension, is called the compressive strength.

Tensile strengths are rarely of any consequence in the design of ductile members, but they are important with brittle members. They are tabulated for common materials such as alloys, composite materials, ceramics, plastics, and wood.

Definition[edit]

The ultimate tensile strength of a material is an intensive property; therefore its value does not depend on the size of the test specimen. However, depending on the material, it may be dependent on other factors, such as the preparation of the specimen, the presence or otherwise of surface defects, and the temperature of the test environment and material.

Some materials break very sharply, without plastic deformation, in what is called a brittle failure. Others, which are more ductile, including most metals, experience some plastic deformation and possibly necking before fracture.

Tensile strength is defined as a stress, which is measured as force per unit area. For some non-homogeneous materials (or for assembled components) it can be reported just as a force or as a force per unit width. In the International System of Units (SI), the unit is the pascal (Pa) (or a multiple thereof, often megapascals (MPa), using the SI prefix mega); or, equivalently to pascals, newtons per square metre (N/m²). A United States customary unit is pounds per square inch (lb/in² or psi). Kilopounds per square inch (ksi, or sometimes kpsi) is equal to 1000 psi, and is commonly used in the United States, when measuring tensile strengths.

Ductile materials[edit]

Many materials can display linear elastic behavior, defined by a linear stress–strain relationship, as shown in figure 1 up to point 3. The elastic behavior of materials often extends into a non-linear region, represented in figure 1 by point 2 (the «yield point»), up to which deformations are completely recoverable upon removal of the load; that is, a specimen loaded elastically in tension will elongate, but will return to its original shape and size when unloaded. Beyond this elastic region, for ductile materials, such as steel, deformations are plastic. A plastically deformed specimen does not completely return to its original size and shape when unloaded. For many applications, plastic deformation is unacceptable, and is used as the design limitation.

After the yield point, ductile metals undergo a period of strain hardening, in which the stress increases again with increasing strain, and they begin to neck, as the cross-sectional area of the specimen decreases due to plastic flow. In a sufficiently ductile material, when necking becomes substantial, it causes a reversal of the engineering stress–strain curve (curve A, figure 2); this is because the engineering stress is calculated assuming the original cross-sectional area before necking. The reversal point is the maximum stress on the engineering stress–strain curve, and the engineering stress coordinate of this point is the ultimate tensile strength, given by point 1.

Ultimate tensile strength is not used in the design of ductile static members because design practices dictate the use of the yield stress. It is, however, used for quality control, because of the ease of testing. It is also used to roughly determine material types for unknown samples.^[4]

The ultimate tensile strength is a common engineering parameter to design members made of brittle material because such materials have no yield point.^[4]

Testing[edit]

Typically, the testing involves taking a small sample with a fixed cross-sectional area, and then pulling it with a tensometer at a constant strain (change in gauge length divided by initial gauge length) rate until the sample breaks.

When testing some metals, indentation hardness correlates linearly with tensile strength. This important relation permits economically important nondestructive testing of bulk metal deliveries with lightweight, even portable equipment, such as hand-held Rockwell hardness testers.^[5] This practical correlation helps quality assurance in metalworking industries to extend well beyond the laboratory and universal testing machines.

Typical tensile strengths[edit]

^a Many of the values depend on manufacturing process and purity or composition.

^b Multiwalled carbon nanotubes have the highest tensile strength of any material yet measured, with one measurement of 63 GPa, still well below one theoretical value of 300 GPa.^[39] The first nanotube ropes (20 mm in length) whose tensile strength was published (in 2000) had a strength of 3.6 GPa.^[40] The density depends on the manufacturing method, and the lowest value is 0.037 or 0.55 (solid).^[41]

^c The strength of spider silk is highly variable. It depends on many factors including kind of silk (Every spider can produce several for sundry purposes.), species, age of silk, temperature, humidity, swiftness at which stress is applied during testing, length stress is applied, and way the silk is gathered (forced silking or natural spinning).^[42] The value shown in the table, 1000 MPa, is roughly representative of the results from a few studies involving several different species of spider however specific results varied greatly.^[43]

^d Human hair strength varies by ethnicity and chemical treatments.

Typical properties of annealed elements[edit]

See also[edit]

• Flexural strength
• Strength of materials
• Tensile structure
• Toughness
• Failure
• Tension (physics)
• Young’s modulus

References[edit]

Further reading[edit]

• Giancoli, Douglas, Physics for Scientists & Engineers Third Edition (2000). Upper Saddle River: Prentice Hall.
• Köhler T, Vollrath F (1995). «Thread biomechanics in the two orb-weaving spiders Araneus diadematus (Araneae, Araneidae) and Uloboris walckenaerius (Araneae, Uloboridae)». Journal of Experimental Zoology. 271: 1–17. doi:10.1002/jez.1402710102.
• T Follett, Life without metals
• Min-Feng Y, Lourie O, Dyer MJ, Moloni K, Kelly TF, Ruoff RS (2000). «Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes Under Tensile Load» (PDF). Science. 287 (5453): 637–640. Bibcode:2000Sci…287..637Y. doi:10.1126/science.287.5453.637. PMID 10649994. Archived from the original (PDF) on 4 March 2011.
• George E. Dieter, Mechanical Metallurgy (1988). McGraw-Hill, UK

Использование материалов в строительстве невозможно без учёта их характеристик. Одна из важнейших — предел прочности при растяжении. Если не брать во внимание этот показатель, возведённое здание разрушится, так как конструктивные элементы не смогут выдержать нагрузку. Знать о свойстве стройматериала недостаточно, нужно уметь применять его на практике.

Значение термина

Предел прочности материала при растяжении сокращённо обозначается ПП. Также допускается использовать выражение «временное сопротивление». Для обозначения предела прочности применяют буквы R или σ В (сигма). Единица измерения — мегапаскаль (МПа). Показатель означает допустимую величину силы, которая может воздействовать на объект до того, как он начнёт разрушаться. Речь идёт о механическом воздействии, но следует учитывать, что химические факторы способны изменить первоначальные свойства материала, в том числе повлиять на ПП. К немеханическим нагрузкам относят следующие:

• нагревание;
• охлаждение;
• погодные условия (ветер, осадки, влажность);
• агрессивная среда.

Формула предела прочности при растяжении записывается так: R=0,64 (P/F), где F — площадь поверхности раскола предмета, а P — разрушающая нагрузка. При проектировании нельзя опираться на крайние значения, поэтому инженеры оставляют допуски на различные факторы, а также на период эксплуатации. Это значит, что при строительстве используется материал, у которого ПП превышает расчётное напряжение.

Изначально способность элемента выдерживать нагрузки определяли опытным путём. Материал использовали, не зная, как он себя поведёт во время эксплуатации, а после поломки заменяли более прочным. Со временем перешли к экспериментам и испытаниям, и по-прежнему самый точный способ найти предел прочности при натяжении и разрыве остаётся эмпирический.

Исследования проводят в лабораторных условиях, с использованием точной техники. Приборы фиксируют характеристики материала и то, как они изменяются под нагрузкой разной величины. Как правило, прочность измеряется так: предмет жёстко закрепляют и оказывают на него воздействие.

Сначала закреплённый элемент растягивают. Он становится длиннее, при этом в одном месте образуется перешеек, и именно здесь заготовка разорвётся. Так ведут себя не все материалы, а только вязкие. Чугун, сталь и другие хрупкие сплавы растягиваются незначительно. При увеличении нагрузки они трескаются и разрушаются по наклонным плоскостям. Шейки не образуются.

Сила, прикладываемая в каждый момент, измеряется с точностью до тысячных долей ньютона. Одновременно определяют размер и характер деформации. Данные сверяют с таблицами.

Второй способ — математический анализ. Он заключается в том, что прочность определяют с помощью сложных вычислений. Однако без испытаний данные, полученные расчётным путём, нельзя считать полными. Дело в том, что на практике вещество может повести себя по-другому.

Классификация параметра

Материал обладает временным сопротивлением в ответ на воздействия разного характера, поэтому характеристику классифицируют на несколько групп. Усилия, которым подвергается заготовка или конструктивный элемент:

• Растяжение. Изделие тянут за края с помощью специальной машины.
• Кручение. Предмет помещается в условия, при которых работает крутящий вал.
• Изгиб. Заготовку сгибают и разгибают в нескольких направлениях.
• Сжатие. На материал давят попеременно с разных сторон.

У одного и того же материала ПП может различаться. В качестве примера можно привести сталь. Она используется чаще, чем другие сплавы, потому что стальные конструкции показали себя как наиболее прочные, долговечные и устойчивые к неблагоприятным факторам. При этом они надёжны и не выделяют в атмосферу вредных веществ.

Существует несколько марок стали. Они производятся по разным технологиям, и в зависимости от этого различаются характеристики заготовок и конструкций. У обычных марок ПП составляет 300 Мпа. По мере увеличения содержания углерода прочность увеличивается. Самые твёрдые марки имеют показатель 900 МПа. Факторы, от которых зависят прочностные характеристики:

• количество полезных и нежелательных примесей;
• способ термической обработки (криообработка, закалка, отжиг).

Временное сопротивление и усталость

Между ПП и временным сопротивлением различным нагрузкам есть прямая связь. Второй показатель в документации и технической литературе обозначают символом Т. Он показывает, сколько длится деформация образца, когда на него воздействует постоянная нагрузка. Когда временное сопротивление прекращается, кристаллическая решётка вещества перестраивается. Это характерно для твёрдых материалов. В результате вещество становится более прочным, чем было до этого. Это явление называется самоупрочнением.

Ещё одна важная характеристика — усталость металла. Говоря о стали, применяют выражение «предел выносливости». Для обозначения используют символ R. Эта характеристика показывает, воздействие какой силы материал может переносить постоянно, а не разово. Во время эксперимента на образец оказывают давление заданной силы. Число воздействий составляет 107. За время испытаний материал не должен деформироваться или утратить исходные характеристики.

На проведение таких экспериментов уходит много времени, поэтому их проводят не всегда. Часто обходятся математическими вычислениями, рассчитывая все важные коэффициенты.

Пределом пропорциональности называют максимальную нагрузку, при которой сохраняется соотношение, определяемое законом Гука. Согласно ему, тело деформируется прямо пропорционально величине оказываемого на него воздействия. Каждый материал обладает определённой степенью упругости. Она может быть классической и абсолютной. Изменения могут быть обратимыми и необратимыми. Пример первого типа — пружина: пока на неё воздействуют, она сжимается, а когда нажатие прекращается, расправляется.

Определение характеристик

Материалы обладают не только прочностным пределом, но и другими характеристиками. В случае со сталью это твёрдость и способность воспринимать ударные нагрузки. Испытания проводят следующим образом: в заготовку вдавливают алмазный конус или шар. Алмаз — эталон твёрдости. Размер следа зависит от того, насколько крепок испытуемый образец. Чем от мягче, тем больше отпечаток, и наоборот.

Прочность на удар рассчитывают так: на образце делают срез, затем ударяют. Результаты показывают характеристику для участка, который наиболее уязвим. Другие механические свойства, для которых получают данные эмпирическим путём:

• Пластичность. Она показывает, до какой степени образец может изменять форму, сохраняя исходную структуру.
• Усталость. Эта категория отображает, как долго материал не теряет свойства, испытывая длительные нагрузки.
• Ударная вязкость. Характеристика означает, в какой степени вещество способно сопротивляться ударному воздействию.

По прочности вещества делятся на классы. Они различаются по одной или нескольким характеристикам. Так, для двух классов показатели ПП могут быть одинаковыми, а значения относительного удлинения или текучести — разными.

Удельная прочность — величина, производная от предельной. Её получают путём деления исходного показателя на плотность материала. Практическая ценность расчёта состоит в том, что знание характеристики позволяет применять материал для различных целей, а не просто располагать данными о ПП. Показатель меняется в зависимости от объёма, толщины и веса изделия. Пример: тонкий лист легче деформировать, чем толстый.

Предел прочности и пластичность тесно связаны. Чем меньше второй параметр, тем быстрее разрушается образец. Материалы, у которых высокая пластичность, лучше поддаются обработке, они пригодны для изготовления деталей путём штамповки. Пример: элементы кузова штампуют из листов стали. Если у сплава невысокая пластичность, он относится к хрупким, хотя может быть иметь отличные показатели твёрдости. Одно из таких веществ — титан. Он плохо изгибается и тянется, но по твёрдости превосходит многие другие сплавы.

Для улучшения прочностных характеристик в материалы вводят добавки. Другой способ — термообработка.