Как найти прочность металла

Что такое предел прочности металла по ГОСТу

Предел прочности металла – это одна из главных механических характеристик материалов. Данный термин широко применяется в отношении металлов и сплавов в общении специалистов, однако в технических справочниках, сборниках нормативов и другой специальной литературе этот показатель принято называть временным сопротивлением.

Прочностью называют сопротивляемость стали или других материалов деформирующим или разрушающим нагрузкам, способность, подвергаясь механическим, температурным, магнитным и прочим воздействиям, сохранять целостность, структуру и форму.

Предел прочности (или временное сопротивление металла), способность к упругой деформации, предел пропорциональности, пределы упругости и текучести входят в число основных характеристик прочности на растяжение.

Для обозначения предела прочности металла принято использовать символ σв, а для измерения – килограммы силы на один квадратный сантиметр (кгс/см2) или мегапаскали (МПа).

Для испытаний прочности материалов на разрыв используют специальные стенды. При этом к образцу, один конец которого прочно зафиксирован, прилагают разрывающую нагрузку. Для создания усилия применяют электромеханические или гидравлические приводы. В ходе испытания происходит плавное увеличение нагрузки, разрывающей, скручивающей или изгибающей металлическую деталь.

Для снятия параметров усилия на разрыв и относительного удлинения образцов испытательные стенды оборудуются электронной системой контроля.

Виды пределов прочности металла

Как уже говорилось, предел прочности является одной из основных физических характеристик любых конструкционных материалов, в том числе и металлов. Этот показатель служит основой для принятия решения о возможности применения конкретных сплавов для изготовления детали или необходимости их замены более прочными.

В зависимости от вида прилагаемого усилия принято различать:

1. Предел прочности металла при сжатии – он показывает максимальную нагрузку, при превышении которой постоянное или переменное механическое напряжение сжимает образец, деформируя или разрушая его. Статическим пределом прочности принято называть пороговую величину при постоянном напряжении, а динамическим – при переменном. Для сжатия образца посредством механической нагрузки обычно требуется небольшой временной отрезок.
2. Предел прочности металла при растяжении – это максимальное значение механической нагрузки на образец, при превышении которого происходит его разрыв. При этом речь может идти не только о полном разрушении металлического пробника, но и о его неприемлемом истончении, что также может говорить о превышении порога напряжения. На разрыв или истончение подвергаемого испытанию тела также обычно не требуется много времени.
3. Предел прочности металла при кручении подразумевает максимальную величину касательных напряжений, возникающих при кручении вала в его опасных сечениях, превышение которой приводит к разрушению образца. Этот показатель используют при проверочном расчете испытания на прочность, подборе сечения и определении допустимого крутящего момента.
4. Предел прочности металла при изгибе обратно зависит от его твердости и растет при увеличении процентной доли цементирующих добавок. Иными словами, от химического состава сплавов, величины карбидных зерен и свойств цементированного слоя образца зависит прочность при изгибе.

Значительную роль при этом играет именно толщина слоя цементирующего металла в образце. С ее увеличением за счет снижения местных напряжений происходит повышение прочности и наоборот – уменьшение этого значения ведет к снижению прочности сплава. Для определения предела прочности на изгибание пользуются методикой испытания, при которой одна сосредоточенная сила, прилагаемая по центру, разрушает свободно лежащий на двух опорах образец.

Предел прочности стали

Несмотря на то, что в современном производстве стальные сплавы постепенно сдают свои позиции под напором таких новых материалов, как различные полимеры и композиты, они по-прежнему служат основным материалом, из которого выполняются ответственные элементы самых разных конструкций и деталей. Корректный расчет предела прочности металла, из которого выполнены детали, позволяет увеличивать срок их службы, добиваться максимальной прочности и безопасности.

В зависимости от марки предел прочности металла может колебаться в диапазоне от 300 МПа у обычных сортов низкоуглеродистых конструкционных сталей до 900 МПа у специального высоколегированного сплава.

Предел прочности зависит от:

• химического состава металла,
• параметров термообработки (закалки, отпуска, отжига и других ее этапов).

Влияние примесей может быть как положительным, так и отрицательным. От вредных включений, снижающих прочность, сплав максимально избавляют при выплавке и прокате. Полезные для свойств сплава добавки вводят в его состав для улучшения характеристик.

Помимо предела прочности, для проведения расчета применяют связанный с ней предел текучести металла (обозначение σT). Это величина напряжения, при которой деформация нарастает без увеличения прилагаемой силы. При достижении пороговой величины начинается разрушение образца, то есть разрывается часть связей между атомами, а на остальные начинают действовать возросшие нагрузки.

Для элементов конструкций, эксплуатируемых при обычных нагрузках, наиболее важны физические характеристики сплава. Если же детали предназначены для работы под воздействием экстремальной температуры, большого давления, высокой влажности или в агрессивной среде, на первый план выходят физико-химические показатели, которые, как и механические, сильно зависят от химического состава:

1. С повышением процентной доли углерода растут прочность и твердость металла, однако снижается его пластичность. Это происходит примерно до достижения 1%-ной концентрации углерода, а далее характеристики начинают ухудшаться.
2. Увеличение процентной доли углерода вызывает повышение порога хладоемкости, что позволяет производить морозоустойчивые и криогенные сорта стали.
3. Большая часть стальных сплавов содержит марганец, который позволяет вытеснить из расплавленного металла кислород и серу. Примерно до 2 % этот элемент, вводимый в состав стали, способствует улучшению ковкости и свариваемости, однако последующее увеличение процентной доли ведет к растрескиванию при термической обработке.
4. С помощью кремния раскисляют стальные сплавы. Содержанием этого элемента определяется деление марок стали на спокойные высокоуглеродистые с процентной долей до 0,6 % и полуспокойные с еще более низким содержанием Si – до 0,1 %.
5. Кремний в сочетании с марганцем или молибденом повышает закаливаемость сплава, а с хромом и никелем – увеличивает стойкость к коррозии.
6. Содержание в составе металла азота и кислорода отрицательно сказывается на прочности. Кроме того, наличие в кристаллической решетке соединений этих элементов приводит, помимо ухудшения прочностных характеристик, к снижению пластичности сплавов.

Особенности разных классов стали по прочности

Различают семь классов стали. В основу классификации положены текучесть и временное сопротивление при разрыве:

• первый класс – это сталь с пределом прочности 225 МПа,
• три класса с временным сопротивлением от 285 до 390 МПа (со 2-го по 4-й),
• три класса с временным сопротивлением от 440 до 735 МПа (с 5-го по 7-й).

К первому классу в основном относятся обыкновенные горячекатаные углеродистые марки стали. Следующие три – прокат из низколегированных типов стали (нормализованных или горячекатаных). С пятого по седьмой – прокат термически оптимизированного металла с экономным легированием.

За исключением типа стали, относящейся к первому классу, остальные также могут быть получены с помощью термического, термомеханического упрочнения или контролируемой прокатки.

Для обозначения категорий прочности стали ГОСТ 977 от 1988 года предписывает буквенную маркировку «К» или «КТ», после которых идет указание предела текучести цифрами. Буква «К» обозначает отожженную, нормализованную или отпущенную сталь. Сорта, прошедшие закаливание и отпуск, отмечают буквами «КТ».

Кроме того, при выборе марки стали для той или иной конструкции важную роль инженеры отводят коэффициенту запаса, который, как следует из названия, отражает способность деталей выдерживать нагрузки больше расчетных. Если на одном из этапов, будь то проектирование, изготовление или эксплуатация изделий, есть ошибка, запас прочности позволяет минимизировать риск разрушения.

Предел прочности разных видов металлов

Предел прочности меди

Отожженная техническая медь при температуре +20…+22 °С (комнатная температура) обладает пределом прочности 225,5 МПа. При нагреве происходит снижение данного показателя. Также временное сопротивление может изменяться как в сторону уменьшения, так и увеличения при введении в состав медного сплава легирующих добавок или при наличии примесей.

Предел прочности алюминия

Предел прочности отожженного технического алюминия при температуре +20…+22 °С равен 78,48 МПа. Чем чище металл, тем меньше его прочность и выше пластичность. Так, для литого в землю алюминия этот показатель составляет 49 МПа.

Нагревание уменьшает временное сопротивление, а понижение температуры с +27 °С до -269 °С приводит к его повышению в 4 раза для алюминия технической чистоты и в 7 раз для высокочистого. Повысить предел прочности алюминиевого сплава можно с помощью легирования.

Предел прочности обычного чугуна

Методику определения временного сопротивления определяет ГОСТ 27298 от 1987 года для испытания на растяжение отливок из чугуна.

Предел прочности серого чугуна

Согласно ГОСТ 1412 от 1985 года для серых видов чугуна принята буквенная маркировка единицы измерения предела прочности металла в виде «СЧ» и цифровое указание минимального временного сопротивления.

Данный стандарт регламентирует значение предела прочности для сплавов с пластинчатым графитом марок С410 – С435. Минимальная величина этого показателя для серых типов чугуна – от 100 до 350 МПа, а максимальная может на 100 МПа превышать значение по ГОСТу, если в технических условиях не оговаривается другое.

Предел прочности высокопрочного чугуна

Для высокопрочных сортов чугуна также в маркировку включается цифровой индекс, указывающий значение предела прочности при растяжении, которое (согласно ГОСТ 7293 от 1985 года) колеблется в пределах от 350 до 1 000 МПа.

Чугун с шаровидным графитом сравним по прочности со сталью.

Подводя итог, следует отметить крайнюю важность предела прочности металлов для применения в современном производстве, которое с каждым днем требует все больше сплавов с высокими физическими показателями для изготовления металлоконструкций, ответственных узлов различных механизмов и других изделий. Особенную роль при их проектировке играет корректный расчет временного сопротивления металлов.

Что такое прочность?

Природа прочности в физическом понимании, основана на силе микро взаимодействия между атомами и ионами, из которых состоит любой элемент и обусловлена не столько самим материалом, сколько типом напряжения, воздействующего на него (растяжение, изгиб, сжатие или кручение), а также условиями эксплуатации (температура, влажность).

При проведении испытаний на статические нагрузки, прочность измеряется тестированием шаблонных образцов (прямоугольной или круглой формы) с построением диаграммы, которая показывает зависимость напряжения и деформации образца. При построении такого графика определяются важные прочностные характеристики материала: предел текучести, предел упругости и предел прочности (временное сопротивление).

Специальные расчеты, такие, как выявление предельных напряжений под влиянием постоянных нагрузок, и расчет усталостной нагрузки под воздействием циклических нагрузок, показывают насколько прочен определенный материал.

Существует понятие общей прочности, которое означает устойчивость к разрушению всей системы связей, в целом. Ее нарушение приводит к поражениям различного рода, характер их может иметь хрупкую или вязкую природу. При хрупкости, любая поверхность теряет свою целостность, появляются надломы, трещины. При вязких состояниях поверхность натягивается, имеет вяжущую структуру. Наиболее прочные структуры имеют минимальные показатели пластичности и вязкости, хотя на эти свойства может оказывать серьезное влияние температурный режим, например, при более низких температурах некоторые сплавы металлов становятся более прочными.

Методы определения прочности материалов

Разрушающий метод

Такой метод обладает наибольшей достоверностью и результаты, полученные при его выполнении максимально, подлинно отражают физические свойства материала, но на практике такой анализ требует дополнительных затрат и не всегда имеется возможность его провести.

Неразрушающие методы контроля

Неразрушающие методики основаны на определении параметров, но только косвенным образом, и проводятся несколькими способами:

Капиллярный

Производится капиллярное проникновение жидкостей или газов в полости исследуемых элементов, затем регистрируются индикаторные следы либо при помощи преобразователя, либо визуально. Таким образом, обнаруживаются поверхностные и сквозные дефекты, однако, это требует больших временных затрат, особенно при тщательных осмотрах поверхности с применением инструментов увеличения (дефектоскопа).

Механическая проверка

Существует несколько вариантов осуществления анализа локальных разрушений объекта — это отрыв со скалыванием, ультразвуковое анализирование, воздействие ударного импульса, упругий отскок, пластическая деформация. Каждый способ проверки обладает как достоинствами, так и ограничениями в применении. Единственный эталонный и для которого в ГОСТе закреплены градуированные зависимости — это метод отрыва со скалыванием, в основном, он применяется для бетона.

Магнитный (магнитопорошковый)

Применяется магнитный индикатор для конструкций, изготовленных из сталей ферромагнитного типа, ограничен формой плоскости намагничивания и не может использоваться для неферромагнитных соединений.

Акустический — резонансный

Определяет колебания упругости образца и частоту продольных или изгибных колебаний, основной плюс такой проверки — это обнаружение дефектов, находящихся еще только в стадии развития (от десятых долей миллиметра), но для качественного проведения такого изучения необходимо дорогостоящее оборудование.

Радиационный

Проводится рентгеновским аппаратом, в основном используется для установления внутренних деформаций соединений, которые получены посредством сварки (непровары, поры, шлаковые включения, трещины).

Тепловой

Делается с помощью тепловизора, выявляются места проходимости тепла, протечек, нарушений изоляционных покрытий, участков нагрева электрических контактов, но на корректность измерений влияют погодные условия, при проведении не всегда удается исключить такие влияния.

Вихретоковый

Используется вихретоковый дефектоскоп, обнаруживает поверхностные повреждения и изъяны, находящиеся на небольших глубинах (глубина -1 – 4 мм), но ограниченно, только в токопроводящих изделиях.

Оценивая все вышеописанные методики, можно сделать вывод, что прочность должна измеряться способом, наиболее подходящим к конкретному исследуемому объекту и при обязательном учете влияния факторов внешней среды, в которой он эксплуатируется.
Важнейшая задача современных производств — это улучшение прочности любых конструкций, она решается включением легирующих элементов в сплавы, радиоактивным облучением, использованием армирующих и композиционных материалов, термической и механической обработкой.

Использовать металлы в повседневной жизни начали еще вначале развития человечества. Медь – это первый их представитель. Она доступна в природе и прекрасно обрабатывается. При археологических раскопках часто находят изготовленные из нее предметы домашнего обихода и разные изделия.

В процессе развития человек обучался объединять разные металлы, производя сплавы большей прочности. Из них делали орудия труда, а позже использовали для изготовления оружия. Опыты продолжаются и в наше время, создаются сплавы с удельной прочностью металлов, пригодные для возведения современных конструкций.

Виды нагрузок

К механическим свойствам металлов и сплавов относятся такие, которые способны оказывать сопротивление действию на них внешних сил или нагрузок. Они могут быть самыми разнообразными и по своему воздействию различают:

• статические, которые неспешно возрастают от нулевого значения до максимума, а затем остаются постоянными или незначительно меняются;
• динамические – возникают вследствие удара и действуют короткий промежуток.

Виды деформации

Деформация – это видоизменение конфигурации твердого тела под воздействием прилагаемых к нему нагрузок (внешних сил). Деформации, после которых материал возвращается в прежнюю форму и сохраняет первоначальные размеры, считают упругими, в противном случае (форма изменилась, материал удлинился) – пластическими или остаточными. Существует несколько видов деформации:

• Сжатие. Уменьшается объем тела в результате действия на него сдавливающих сил. Такую деформацию испытывают фундаменты котлов и машин.
• Растяжение. Увеличивается длина тела, когда к его концам прилагаются силы, направление которых совпадает с его осью. Растяжению подвергаются тросы, приводные ремни.
• Сдвиг или срез. В этом случае силы направлены навстречу друг другу и при определенных условиях наступает срез. Примером служат заклепки и болты стяжки.
• Кручение. Пара сил, противоположно направленных, действует на закрепленное одним концом тело (валы двигателей и станков).
• Изгиб. Изменение кривизны тела при воздействии внешних сил. Такое действие характерно для балок, стрел подъемных кранов, железнодорожных рельсов.

Определение прочности металла

Одно из основных требований, которое предъявляют к металлу, применяемому для производства металлических конструкций и деталей, является прочность. Для ее определения берется образец металла и растягивается на испытательной машине. Эталон становится тоньше, площадь поперечного сечения уменьшается с одновременным увеличением его длины. В определенный момент образец начинает растягиваться лишь в одном месте, образуя «шейку». А через некоторое время происходит разрыв в области самого тонкого места. Так ведут себя исключительно вязкие металлы, хрупкие: твердая сталь и чугун растягиваются незначительно и у них не образуется шейка.

Нагрузка на образец определяется специальным прибором, который носит название силоизмеритель, он вмонтирован в испытательную машину. Для вычисления основной характеристики металла, называемой пределом прочности материала, надо максимальную нагрузку, выдержанную образцом до разрыва, разделить на величину площади поперечного сечения до растяжения. Эта величина необходима конструктору для того, чтобы определиться с размерами изготовляемой детали, и технологу назначить режимы обработки.

Самые прочные металлы в мире

К высокопрочным металлам можно отнести следующие:

• Титан. Он обладает такими свойствами:

  • высокой удельной прочностью;
  • стойкостью к повышенным температурам;
  • низкой плотностью;
  • стойкостью к коррозии;
  • механической и химической выносливостью.

Титан находит применение в медицине, военной промышленности, кораблестроении, авиации.

• Уран. Самый известный и прочный металл в мире, является слабым радиоактивным материалом. Встречается в природе в чистом виде и в соединениях. Он относится к тяжелым металлам, гибкий, ковкий и относительно пластичный. Широко используется в производственных сферах.
• Вольфрам. Расчет прочности металла показывает, что это самый прочный и тугоплавкий металл, не поддающийся химическому воздействию. Хорошо куется, его можно вытянуть в тонкую нить. Используется для нити накаливания.
• Рений. Тугоплавкий, имеет высокую плотность и твердость. Очень прочный, не подвержен перепадам температуры. Находит применение в электронике и технике.
• Осмий. Твердый металл, тугоплавкий, стойкий к механическим повреждениям и агрессивным средам. Применяют в медицине, используют для ракетной техники, электронной аппаратуры.
• Иридий. В природе в свободном виде встречается редко, чаще – в соединениях с осмием. Механической обработке поддается плохо, имеет высокую стойкость к химическим веществам и прочность. Сплавы с металлом: титаном, хромом, вольфрамом, используют для изготовления ювелирных изделий.
• Бериллий. Высокотоксичный металл с относительной плотностью, имеющий светло-серый цвет. Находит применение в черной металлургии, атомной энергетике, лазерной и аэрокосмической технике. Имеет высокую твердость и используется для легирования сплавов.
• Хром. Очень твердый металл с высокой прочностью, бело-голубого цвета, обладает стойкостью к щелочам и кислотам. Прочность металла и сплавов позволяют их использовать для изготовления медицинского и химического оборудования, а также для металлорежущих инструментов.

• Тантал. Металл серебристого цвета, имеет высокую твердость, прочность, обладает тугоплавкостью и стойкостью к коррозии, пластичен, легко обрабатывается. Находит применение при создании ядерных реакторов, в металлургии и химической промышленности.
• Рутений. Принадлежит к металлам платиновой группы. Обладает высокой прочностью, твердостью, тугоплавкостью, химической стойкостью. Из него изготовляют контакты, электроды, острые наконечники.

Как определяют свойства металлов?

Для испытания металлов на прочность применяют химические, физические и технологические методы. Твердость определяет, как сопротивляются материалы деформациям. Стойкий металл имеет большую прочность и детали, изготовленные из него, меньше снашиваются. Для определения твердости вдавливают шарик, алмазный конус или пирамидку в металл. Значение твердости устанавливают по диаметру отпечатка или по глубине вдавливания предмета. Более крепкий металл меньше деформируется, и глубина отпечатка будет меньше.

А вот образцы на растяжение испытываются на разрывных машинах с плавно нарастающей при растягивании нагрузкой. Эталон может иметь в сечении круг или квадрат. Для проверки металла противостоять нагрузкам ударного характера проводят испытания на удар. В середине специально изготовленного образца делают надрез и устанавливают его напротив ударного устройства. Разрушение должно происходить там, где слабое место. При испытании металлов на прочность структуру материала исследуют рентгеновскими лучами, ультразвуком и при помощи мощных микроскопов, а также используют травление химическими веществами.

К технологическим относятся самые простые виды испытаний на разрушение, пластичность, ковку, сварку. Испытание на выдавливание дает возможность определить, способен ли листовой материал подвергаться холодной штамповке. С помощью шарика в металле выдавливают лунку, пока не появится первая трещина. Глубина ямки до появления разрушения и будет характеризовать пластичность материала. Испытание на изгиб дает возможность определить способность листового материала принимать нужную форму. Это испытание используют для оценки качества швов при сварке. Для оценки качества проволоки используется проба на перегиб. Трубы испытывают на расплющивание и изгиб.

Механические свойства металлов и сплавов

К механическим свойствам материалов из металла относятся следующие:

1. Прочность. Она заключается в способности материала оказывать сопротивление разрушению под воздействием сил извне. Вид прочности зависит от того, как действуют внешние силы. Ее разделяют на: сжатие, растяжение, кручение, изгиб, ползучесть, усталость.
2. Пластичность. Это способность металлов и их сплавов под воздействием нагрузки менять форму, не подвергаясь разрушению, и сохранять ее после окончания воздействия. Пластичность материала из металла определяют при его растяжении. Чем больше происходит удлинение, при одновременном уменьшении сечения, тем пластичнее металл. Материалы, обладающие хорошей пластичностью, прекрасно обрабатываются давлением: ковке, прессованию. Пластичность характеризуют двумя величинами: относительное сужение и удлинение.
3. Твердость. Такое качество металла заключается в способности оказывать сопротивление проникновению в него инородного тела, имеющего более значительную твердость, и не получить при этом остаточных деформаций. Износоустойчивость и прочность – это основные характеристики металлов и сплавов, которые тесно связаны с твердостью. Материалы с такими свойствами находят применение для изготовления инструментов, применяемых для обработки металлов: резцы, напильники, сверла, метчики. Нередко по твердости материала определяют его износоустойчивость. Так твердые стали при эксплуатации изнашиваются меньше, чем более мягкие сорта.
4. Ударная вязкость. Особенность сплавов и металлов сопротивляться влиянию нагрузок, сопровождающихся ударом. Это одна из важных характеристик материала, из которого изготовлены детали, испытывающие ударную нагрузку, во время работы машины: оси колес, коленчатые валы.
5. Усталость. Это состояние металла, который находится под постоянным воздействием нагрузок. Усталость металлического материала происходит постепенно и может закончиться разрушением изделия. Способность металлов оказывать сопротивление разрушению от усталости называют выносливостью. Это свойство находится в зависимости от природы сплава или металла, состояния поверхности, характера обработки, условий работы.

Классы прочности и их обозначения

Нормативными документами по механическим свойствам крепежных изделий введено понятие класс прочности металла и установлена система обозначения. Каждый класс прочности обозначается двумя цифрами, между которыми ставится точка. Первое число означает предел прочности, уменьшенный в 100 раз. Например, класс прочности 5.6 означат, что предел прочности будет 500. Второе число увеличено в 10 раз – это отношение предела текучести к временному сопротивлению, выраженному в процентах (500х0,6=300), т. е. 30 % составляет минимальный предел текучести от предела прочности на растяжение. Все изделия, используемые для крепежа, классифицируются по назначению применения, форме, используемому материалу, классу прочности и покрытию. По назначению использования они бывают:

• Лемешные. Их используются для сельскохозяйственных машин.
• Мебельные. Применяются в строительстве и мебельном производстве.
• Дорожные. Ими крепят металлоконструкции.
• Машиностроительные. Применяют в машиностроительной промышленности и приборостроении.

Механические свойства крепежных изделий зависят от стали, из которой они изготовлены и качества обработки.

Удельная прочность

Удельная прочность материала (формула ниже) характеризуется отношением предела прочности к плотности металла. Эта величина показывает прочность конструкции при данной его массе. Наибольшую важность она представляет для таких отраслей, как авиастроение, ракетостроение и производство космических аппаратов.

По величине удельной прочности сплавы из титана самые прочные из всех применяемых технических материалов. Титановые сплавы вдвое превышают удельную прочность металлов, относящихся к легированным сталям. Они не поддаются коррозии на воздухе, в кислотной и щелочной среде, не боятся морской воды и обладают хорошей теплоустойчивостью. При высоких температурах их прочность выше, чем у сплавов с магнием и алюминием. Благодаря этим свойствам их применение, как конструкционного материала, все время увеличивается и находит широкое использование в машиностроении. Недостаток титановых сплавов заключается в их низкой обрабатываемости резанием. Это связано с физическими и химическими свойствами материала и особой структурой сплавов.

Выше приведена таблица удельной прочности металлов.

Использование пластичности и прочности металлов

Очень важными свойствами металла являются пластичность и прочность. Эти свойства находятся в прямой зависимости друг от друга. Они не позволяют металлу изменять форму и препятствуют макроскопическому разрушению при воздействии на него внешних и внутренних сил.

Металлы, обладающие высокой пластичностью, под воздействием нагрузки разрушаются постепенно. Вначале у них появляется изгиб и только затем он начинает постепенно разрушаться. Пластичные металлы легко меняют форму, поэтому их широко используют для изготовления кузовов автомобилей. Прочность и пластичность металлов зависит от того, как направлены приложенные к нему силы и в каком направлении проводилась прокатка при изготовлении материала. Установлено, что при прокатке кристаллы металла удлиняются в ее направлении больше, чем в поперечной направленности. У листовой стали прочность и пластичность значительно больше в направлении прокатки. В поперечном же направлении прочность уменьшается на 30 %, а пластичность на 50 %, по толщине листа эти показатели еще ниже. Например, появление излома на стальном листе при сваривании можно объяснить параллельностью оси шва и направления прокатки. По пластичности и прочности материала устанавливают возможность его использования для изготовления различных деталей машин, сооружений, инструментов, приборов.

Нормативное и расчетное сопротивление металла

Одним из основных параметров, которые характеризуют сопротивление металлов воздействиям силы, является нормативное сопротивление. Оно устанавливается по нормам проектирования. Расчетное сопротивление получается в результате деления нормативного на соответствующий коэффициент надежности по данному материалу. В некоторых случаях учитывают еще и коэффициент условий работы конструкций. В вычислениях, имеющих практическое значение, в основном используют расчетное сопротивление металла.

Пути повышения прочности металла

Существует несколько способов повышения прочности металлов и сплавов:

• Создание сплавов и металлов, имеющих бездефектную структуру. Имеются разработки по изготовлению нитевидных кристаллов (усов) в несколько десятков раз превышающих прочность обыкновенных металлов.
• Получение объемного и поверхностного наклепа искусственным путем. При обработке металла давлением (ковка, волочение, прокатка, прессование) образуется объемный наклеп, а накатка и дробеструйная обработка дает поверхностный наклеп.
• Создание легированного металла, используя элементы из таблицы Менделеева.
• Очищение металла, от имеющихся в нем примесей. В результате этого улучшаются его механические свойства, распространение трещин значительно уменьшается.
• Устранение с поверхности деталей шероховатости.

Интересные факты

• Сплавы из титана, удельный вес которых превышает алюминиевые примерно на 70 %, прочнее их в 4 раза, поэтому, по удельной прочности сплавы, содержащие титан, выгоднее использовать для самолетостроения.
• Многие алюминиевые сплавы превышают удельную прочность сталей, содержащих углерод. Сплавы из алюминия имеют высокую пластичность, коррозийную стойкость, прекрасно обрабатываются давлением и резанием.
• У пластмасс удельная прочность выше, чем у металлов. Но из-за недостаточной жесткости, механической прочности, старения, повышенной хрупкости и малой термостойкости ограничены в применении слоистые пластики, текстолиты и гетинаксы, особенно в крупногабаритных конструкциях.
• Установлено, что по выносливости к коррозии и удельной прочности, металлы черные, цветные и многие их сплавы уступают стеклопластикам.

Механические свойства металлов являются важнейшим фактором использования их в практических нуждах. Проектируя какую-то конструкцию, деталь или машину и подбирая материал, обязательно рассматривают все механические свойства, которыми он обладает.

Прочность металлических конструкций – один из важнейших параметров, определяющих их надежность и безопасность. Издревле вопросы прочности решались опытным путем — если какое-либо изделие ломалось — то следующее делали толще и массивнее. С 17 века ученые начали планомерное исследование проблемы, прочностные параметры материалов и конструкций из них можно рассчитать заранее, на этапе проектирования. Металлурги разработали добавки, влияющие на прочность стальных сплавов.

Предел прочности

Предел прочности — это максимальное значение напряжений, испытываемых материалом до того, как он начнет разрушаться. Его физический смысл определяет усилие растяжения, которое нужно приложить к стрежневидному образцу определенного сечения, чтобы разорвать его.

Каким образом производится испытание на прочность

Прочностные испытания на сопротивление разрыву проводятся на специальных испытательных стендах. В них неподвижно закрепляется один конец испытываемого образца, а к другому присоединяют крепление привода, электромеханического или гидравлического. Этот привод создает плавно увеличивающее усилие, действующее на разрыв образца, или же на его изгиб или скручивание.

Испытание на разрыв

Электронная система контроля фиксирует усилие растяжения и относительное удлинение, и другие виды деформации образца.

Виды пределов прочности

Предел прочности — один из главных механических параметров стали, равно как и любого другого конструкционного материала.

Эта величина используется при прочностных расчетах деталей и конструкций, судя по ней, решают, применим ли данный материал в конкретной сфере или нужно подбирать более прочный.

Различают следующие виды предела прочности при:

• сжатии — определяет способность материала сопротивляться давлению внешней силы;
• изгибе — влияет на гибкость деталей;
• кручении – показывает, насколько материал пригоден для нагруженных приводных валов, передающих крутящий момент;
• растяжении.

Виды испытаний прочности материалов

Научное название параметра, используемое в стандартах и других официальных документах — временное сопротивление разрыву.

Предел прочности стали

На сегодняшний день сталь все еще является наиболее применяемым конструкционным материалом, понемногу уступая свои позиции различным пластмассам и композитным материалам. От корректного расчета пределов прочности металла зависит его долговечность, надежность и безопасность в эксплуатации.

Предел прочности стали зависит от ее марки и изменяется в пределах от 300 Мпа у обычной низкоуглеродистой конструкционной стали до 900 Мпа у специальных высоколегированных марок.

На значение параметра влияют:

• химический состав сплава;
• термические процедуры, способствующие упрочнению материалов: закалка, отпуск, отжиг и т.д.

Некоторые примеси снижают прочность, и от них стараются избавляться на этапе отливки и проката, другие, наоборот, повышают. Их специально добавляют в состав сплава.

Условный предел текучести

Кроме предела прочности, в инженерных расчетах широко применяется связанное с ним понятие-предел текучести, обозначаемый σ_т. Он равен величине напряжения сопротивления разрыву, которое необходимо создать в материале, для того, чтобы деформация продолжала расти без наращивания нагрузки. Это состояние материала непосредственно предшествует его разрушению.

На микроуровне при таких напряжениях начинают рваться межатомные связи в кристаллической решетке, а на оставшиеся связи увеличивается удельная нагрузка.

Общие сведения и характеристики сталей

С точки зрения конструктора, наибольшую важность для сплавов, работающих в обычных условиях, имеют физико-механические параметры стали. В отдельных случаях, когда изделию предстоит работать в условиях экстремально высоких или низких температур, высокого давления, повышенной влажности, под воздействием агрессивных сред — не меньшую важность приобретают и химические свойства стали. Как физико-механические, так и химические свойства сплавов во многом определяются их химическим составом.

Влияние содержание углерода на свойства сталей

По мере увеличения процентной доли углерода происходит снижение пластичности вещества с одновременным ростом прочности и твердости. Этот эффект наблюдается до приблизительно 1% доли, далее начинается снижение прочностных характеристик.

Повышение доли углерода также повышает порог хладоемкости, это используется при создании морозоустойчивых и криогенных марок.

Влияние углерода на механические свойства стали

Рост содержания С приводит к ухудшению литейных свойств, отрицательно влияет на способность материала к механической обработке.

Добавки марганца и кремния

Mn содержится в большинстве марок стали. Его применяют для вытеснения из расплава кислорода и серы. Рост содержания Mn до определенного предела (2%) улучшает такие параметры обрабатываемости, как ковкость и свариваемость. После этого предела дальнейшее увеличение содержания ведет к образованию трещин при термообработке.

Влияние кремния на свойства сталей

Si применяется в роли раскислителя, используемого при выплавке стальных сплавов и определяет тип стали. В спокойных высокоуглеродистых марках должно содержаться не более 0,6% кремния. Для полуспокойных марок этот предел еще ниже — 0,1 %.

При производстве ферритов кремний увеличивает их прочностные параметры, не понижая пластичности. Этот эффект сохраняется до порогового содержания в 0,4%.

Влияние легирующих добавок на свойства стали

В сочетании с Mn или Mo кремний способствует росту закаливаемости, а вместе с Сг и Ni повышает коррозионную устойчивость сплавов.

Азот и кислород в сплаве

Эти самые распространенные в земной атмосфере газы вредно влияют на прочностные свойства. Образуемые ими соединения в виде включений в кристаллическую структуру существенно снижают прочностные параметры и пластичность.

Легирующие добавки в составе сплавов

Это вещества, намеренно добавляемые в расплав для улучшения свойств сплава и доведения его параметров до требуемых. Одни из них добавляются в больших количествах (более процента), другие — в очень малых. Наиболее часто применяю следующие легирующие добавки:

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

Металлурги используют и более сложные комбинации легирующих добавок, добиваясь получения уникальных сочетаний физико-механических свойств стали. Стоимость таких марок в несколько раз (а то и десятков раз) превышает стоимость обычных низкоуглеродистых сталей. Применяются они для особо ответственных конструкций и узлов.

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

Современное производство нуждается в большом количестве прочных стальных изделий. При строительстве мостов, домов, сложных конструкций используют различные стали. Одним из главнейших вопросов является расчет прочности металла и значения величины напряжения стальной арматуры. Чтобы конструкции служили долго и были безопасны необходимо точно знать предел текучести стального материала, который подвергается основной нагрузке.

Основное определение

В процессе использования на любое сооружение приходятся разные нагрузки в виде сжатий, растяжений или ударов. Они могут действовать как обособленно, так и совместно.

Современные конструкторы стремятся уменьшить массу стальных деталей для экономии материала, но при этом не допустить критичного снижения несущей способности всей конструкции. Происходит это засчет уменьшения сечения стальных арматур.

В зависимости от назначения объектов, могут меняться некоторые требования к стали, но имеется перечень стандартных и важных показателей. Их величины рассчитывают на этапе проектирования деталей и узлов будущего сооружения. Заготовка должна обладать высокой прочностью при соответствующей пластичности.

В первую очередь при расчетах прочности изделия из стали обращают внимание на предел текучести. Это значение характеризующее поведение деталей при воздействиях на них.

Предел текучести материала — это величина критического напряжения, при которой материал продолжает самостоятельную деформацию без увеличения нагрузки. Эта характеристика измеряется в Паскалях и позволяет рассчитывать максимально возможное напряжение для пластичной стали.

После прохождения этого предела в материале происходят невосстановимые процессы искажения кристаллической решетки. При последующем увеличении силы воздействия на заготовку и преодолении площадки текучести, деформация увеличивается.

Предел текучести иногда путают с пределом упругости. Это похожие понятия, но предел упругости — это величина максимального сопротивления металла и она чуть ниже предела текучести.

Величина текучести примерно на пять процентов превышает предел упругости.

Состав стальных сплавов

Свойства металла зависят от сформированной кристаллической решетки, которая, в свою очередь, определяется содержанием углерода. Зависимость типов решетки от количества углерода хорошо прослеживается на структурной диаграмме. Если, например, в решетке стали насчитывается до 0.06% углерода, то это классический феррит, который имеет зернистую структуру. Такой материал непрочный, но текучий и имеет большой предел ударной вязкости.

По структуре стали делятся на:

• ферритную;
• перлитно-ферритовую;
• цементитно-ферритную;
• цементитно-перлитовую;
• перлитную.

Добавки углерода и прочность

Закон аддитивности подтверждается процентными изменениями цементита и феррита в стали. Если количество углеродной добавки составляет около 1,2%, то предел текучести стального материала увеличивается и повышается твердость, прочность и температуростойкость. При последующем увеличении содержания углерода технические параметры ухудшаются. Сталь плохо сваривается и неохотно поддается штамповке. Самым лучшим образом при сварке ведут себя сплавы с небольшим содержанием углерода.

Марганец и кремний

В виде добавки, чтобы увеличить степень раскисления, дополнительно добавляют марганец. Кроме того, этот элемент уменьшает вредное воздействие серы. Содержание марганца обычно не более 0.8% и он не влияет на технологические свойства сплава. Присутствует как твердый компонент.

Кремний тоже особо не влияет на характеристики металла. Он необходим для увеличения качества сварки деталей. Содержание этого элемента не превышает 0.38% и он добавляется во время процесса раскисления.

Сера и фосфор

Сера содержится в виде хрупких сульфитов. Повышенное количество этого элемента влияет на механические показатели сплава. Чем больше серы, тем хуже пластичность, текучесть и вязкость сплава. Если превышен предел в 0.06%, то изделие сильнее подвержено коррозии и становится способным к сильному истиранию.

Наличие фосфора увеличивает показатель текучести, но при этом уменьшается пластичность и вязкость. В общем, завышенное содержание фосфора значительно ухудшает качество металла. Особенно вредно сказывается на характеристиках совместное высокое содержание фосфора и углерода. Допустимыми пределами содержания фосфора считаются значения от 0.025 до 0.044%.

Азот и кислород

Это неметаллические примеси, которые понижают механические свойства сплава. Если содержание кислорода больше чем 0.03%, то металл быстрее стареет, падают значения пластичности и вязкости. Азотные добавки увеличивают прочность, но в этом случае предел текучести уменьшается. Увеличенное содержание азота делает сталь ломкой и способствует быстрому старению металлической конструкции.

Поведение легирующих добавок

Для улучшения всех физических показателей стали, в сплав добавляют специальные легирующие элементы. Такими добавками могут быть вольфрам, молибден, никель, хром, титан и ванадий. Совместное добавление в необходимых пропорциях, дает самые приемлемые результаты.

Легирование значительно повышает показатель текучести, ударной вязкости и препятствует деформации и растрескиванию.

Проверка сплава

Перед запуском в производство для изучения свойств металлического сплава, проводят испытания. На образцы металла воздействуют различными нагрузками до полной потери всех свойств.

• Статистическая нагрузка.
• Проверка на выносливость и усталость стали.
• Растягивание элемента.
• Тестирование на изгиб и кручение.
• Совместная выносливость на изгиб и растяжение.

Для этих целей применяют специальные станки и создают условия, максимально приближенные к режиму эксплуатации будущей конструкции.

Проведение испытаний

Для проведения испытаний на цилиндрический образец сечением в двадцать миллиметров и расчетной длиной в десять миллиметров применяют нагрузку на растяжение. Сам образец имеет длину более десяти миллиметров, чтобы была возможность надежно его захватить, а на нем отмечена длина в десять миллиметров и именно она называется расчетной. Силу растяжения увеличивают и замеряют растущее удлинение образца. Для наглядности данные наносят на график. Он носит название диаграммы условного растяжения.

При небольшой нагрузке образец удлиняется пропорционально. Когда сила растяжения достаточно увеличится, то будет достигнут предел пропорциональности. После прохождения этого предела начинается непропорциональное удлинение материала при равномерном изменении силы растяжения. Затем достигается предел, после прохождения которого образец не может возвратиться к первоначальной длине. При прохождении этого значения, изменение испытываемой детали происходит без увеличения силы растяжения. Например, для стального прута Ст. 3 эта величина равна 2450 кг на один квадратный сантиметр.

Невыраженная точка текучести

Если при постоянной силе воздействия, материал способен длительное время самостоятельно деформироваться, то его называют идеально пластическим.

При испытаниях часто бывает, что площадка текучести нечетка определена, тогда вводят определение условного предела текучести. Это означает, что сила, действующая на металл, вызвала деформацию или остаточное изменение около 0.2%. Значение остаточного изменения зависит от пластичности металла.

Чем металл пластичнее, тем выше значение остаточной деформации. Типичными сплавами, в которых нечетко выражена такая деформация, являются медь, латунь, алюминий, стали с малым содержанием углерода. Образцы этих сплавов называют уплотняющимися.

Когда металл начинает «течь» то, как демонстрируют опыты и исследования, в нём происходят сильные изменения в кристаллической решетке. На её поверхности появляются линии сдвига и слои кристаллов значительно сдвигаются.

После того как металл самопроизвольно растянулся, он переходит в следующее состояние и опять приобретает способность сопротивления. Затем сплав достигает своего предела прочности и на детали четко проявляется наиболее слабый участок, на котором происходит резкое сужение образца.

Площадь поперечного сечения становится меньше и в этом месте происходит разрыв и разрушение. Величина силы растяжения в этот момент падает вместе со значением напряжения и деталь рвётся.

Высокопрочные сплавы выдерживают нагрузку до 17500 килограмм на сантиметр квадратный. Предел прочности стали СТ.3 находится в пределах 4−5 тыс. килограммов на сантиметр квадратный.

Характеристика пластичности

Пластичность материала является важным параметром, который должен учитываться при проектировании конструкций. Пластичность определяется двумя показателями:

• остаточным удлинением;
• сужением при разрыве.

Остаточное удлинение вычисляют путем замера общей длины детали после того, как она разорвалась. Она состоит из суммы длин каждой половины образца. Затем в процентах определяют отношение к первоначальной условной длине. Чем прочнее металлический сплав, тем меньше значение относительного удлинения.

Остаточное сужение — это отношение в процентах самого узкого места разрыва к изначальной площади сечения исследуемого прута.

Показатель хрупкости

Самым хрупким металлическим сплавом считается инструментальная сталь и чугун. Хрупкость — это свойство обратное пластичности, и оно несколько условно, поскольку сильно зависит от внешних условий.

Такими условиями могут являться:

• Температура окружающей среды. Чем ниже температура, тем хрупче становится изделие.
• Скорость изменения прилагаемого усилия.
• Влажность окружающей среды и другие параметры.

При изменении внешних условий, один и тот же материал ведет себя по-разному. Если чугунную болванку зажать со всех сторон, то она не разбивается даже при значительных нагрузках. А, например, когда на стальном пруте есть проточки, то деталь становиться очень хрупкой.

Поэтому на практике применяют не понятие предела хрупкости, а определяют состояние образца как хрупкое или довольно пластичное.

Прочность материала

Это механическое свойство заготовки и характеризуется способностью выдерживать нагрузки полностью не разрушаясь. Для испытываемого образца создают условия наиболее отражающие будущие условия эксплуатации и применяют разнообразные воздействия, постепенно увеличивая нагрузки. Повышение сил воздействия вызывают в образце пластические деформации. У пластичных материалов деформация происходит на одном, ярко выраженном участке, который называется шейка. Хрупкие материалы могут разрушаться на нескольких участках одновременно.

Сталь проходит испытание для точного выяснения различных свойств, чтобы получить ответ о возможности её использования в тех или иных условиях при строительстве и создании сложных конструкций.

Значения текучести различных марок сталей занесены в специальные Стандарты и Технические Условия. Предусмотрено четыре основных класса. Значение текучести изделий первого класса может доходить до 500 кг/см кв., второй класс отвечает требованиям к нагрузке до 3 тыс. кг/см кв., третий — до 4 тыс. кг/см кв. и четвертый класс выдерживает до 6 тыс. кг/см кв.

Предел прочности – это то же, что и временное сопротивление материала. Но несмотря на то, что правильнее использовать термин временное сопротивление, понятие предел прочности лучше прижилось в технической разговорной речи. В то же время в нормативной документации, стандартах применяют термин «временное сопротивление».

Прочность – это сопротивление материала деформации и разрушению, одно из основных механических свойств. Другими словами, прочность – это свойство материалов, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия (нагрузки, температурные, магнитные и другие поля).

К характеристикам прочности при растяжении относятся модуль нормальной упругости, предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести и временное сопротивление (предел прочности).

Предел прочности – это максимальное механическое напряжение, выше которого происходит разрушение материала, подвергаемого деформации; предел прочности при растяжении обозначается σ_В и измеряется в килограммах силы на квадратный сантиметр (кгс/см 2 ), а также указывается в мегапаскалях (МПа).

Различают:

• предел прочности при растяжении,
• предел прочности при сжатии,
• предел прочности при изгибе,
• предел прочности при кручении.

Предел кратковременной прочности (МПа) определяется с помощью испытаний на растяжение, деформацию проводят до разрушения. С помощью испытаний на растяжение определяют временное сопротивление, удлинение, предел упругости и др.. Испытания на длительную прочность предназначены главным образом для оценки возможности использования материалов при высоких температурах (длительная прочность, ползучесть); в результате определяется σ_B/Zeit – предел ограниченной длительной прочности на заданный срок службы. [1]

Физику прочности основал Галилей: обобщая свои опыты, он открыл (1638 г.), что при растяжении или сжатии нагрузка разрушения P для данного материала зависит только от площади поперечного сечения F. Так появилась новая физическая величина – напряжение σ=P/F – и физическая постоянная материала: напряжение разрушения [4].

Физика разрушения как фундаментальная наука о прочности металлов возникла в конце 40-х годов XX века [5]; это было продиктовано острой необходимостью разработки научно обоснованных мер для предотвращения участившихся катастрофических разрушений машин и сооружений. Раньше в области прочности и разрушения изделий учитывалась только классическая механика, основанная на постулатах однородного упруго-пластического твёрдого тела, без учёта внутренней структуры металла. Физика разрушения учитывает также атомно-кристаллическое строение решётки металлов, наличие дефектов металлической решётки и законы взаимодействия этих дефектов с элементами внутренней структуры металла: границами зёрен, второй фазой, неметаллическими включениями и др.

Большое влияние на прочность материала оказывает наличие ПАВ в окружающей среде, способных сильно адсорбироваться (влага, примеси); происходит уменьшение предела прочности.

К повышению прочности металла приводят целенаправленние изменения металлической структуры, в том числе – модифицирование сплава.

Учебный фильм о прочности металлов (СССР, год выпуска:

Предел прочности меди. При комнатной температуре предел прочности отожжённой технической меди σ_В=23 кгс/мм 2 [8]. С ростом температуры испытания предел прочности меди уменьшается. Легирующие элементы и примеси различным образом влияют на предел прочности меди, как увеличивая, так и уменьшая его.

Предел прочности алюминия. Отожжённый алюминий технической чистоты при комнатной температуре имеет предел прочности σ_В=8 кгс/мм 2 [8]. С повышением чистоты прочность алюминия уменьшается, а пластичность увеличивается. Например, литой в землю алюминий чистотой 99,996% имеет предел прочности 5 кгс/мм 2 . Предел прочности алюминия уменьшается естественным образом при повышении температуры испытания. При понижении температуры от +27 до -269°C временное сопротивление алюминия повышается – в 4 раза у технического алюминия и в 7 раз у высокочистого алюминия. Легирование повышает прочность алюминия.

Предел прочности сталей

В качестве примера представлены значения предела прочности некоторых сталей. Эти значения взяты из государственных стандартов и являются рекомендуемыми (требуемыми). Реальные значения предела прочности сталей, равно как и чугунов, а также других металлических сплавов зависят от множества факторов и должны определяться при необходимости в каждом конкретном случае.

Для стальных отливок, изготовленных из нелегированных конструкционных сталей, предусмотренных стандартом (стальное литьё, ГОСТ 977-88), предел прочности стали при растяжении составляет примерно 40-60 кг/мм 2 или 392-569 МПа (нормализация или нормализация с отпуском), категория прочности К20-К30. Для тех же сталей после закалки и отпуска регламентируемые категории прочности КТ30-КТ40, значения временного сопротивления уже не менее 491-736 МПа.

Для конструкционных углеродистых качественных сталей (ГОСТ 1050-88, прокат размером до 80 мм, после нормализации):

• Предел прочности стали 10: сталь 10 имеет предел кратковременной прочности 330 МПа.
• Предел прочности стали 20: сталь 20 имеет предел кратковременной прочности 410 МПа.
• Предел прочности стали 45: сталь 45 имеет предел кратковременной прочности 600 МПа.

Категории прочности сталей

Категории прочности сталей (ГОСТ 977-88) условно обозначаются индексами «К» и «КТ», после индекса следует число, которое представляет собой значение требуемого предела текучести. Индекс «К» присваивается сталям в отожженном, нормализованном или отпущенном состоянии. Индекс «КТ» присваивается сталям после закалки и отпуска.

Предел прочности чугуна

Метод определения предела прочности чугуна регламентируется стандартом ГОСТ 27208-87 (Отливки из чугуна. Испытания на растяжение, определение временного сопротивления).

Предел прочности серого чугуна. Серый чугун (ГОСТ 1412-85) маркируется буквами СЧ, после букв следуют цифры, которые указывают минимальную величину предела прочности чугуна – временного сопротивления при растяжении (МПа*10 -1 ). ГОСТ 1412-85 распространяется на чугуны с пластинчатым графитом для отливок марок СЧ10-СЧ35; отсюда видно, минимальные значения предела прочности серого чугуна при растяжении в литом состоянии или после термической обработки варьируются от 10 до 35 кгс/мм 2 (или от 100 до 350 МПа). Превышение минимального значения предела прочности серого чугуна допускается не более, чем на 100 МПа, если иное не оговорено отдельно.

Предел прочности высокопрочного чугуна. Маркировка высокопрочного чугуна также включает в себя цифры, обозначающие временное сопротивление при растяжении чугуна (предел прочности), ГОСТ 7293-85. Предел прочности при растяжении высокопрочного чугуна составляет 35-100 кг/мм 2 (или от 350 до 1000 МПа).

Из вышеизложенного видно, что чугун с шаровидным графитом может успешно конкурировать со сталью.

Подготовлено: Корниенко А.Э. (ИЦМ)

Лит.:

1. Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справ. изд. Пер. с нем. – М.: Металлургия, 1982. – 480 с.
2. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.: ил. – ISBN 5-217-00241-1
3. Жуковец И.И. Механические испытания металлов: Учеб. для сред. ПТУ. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш.шк., 1986. – 199 с.: ил. – (Профтехобразование). – ББК 34.2/ Ж 86/ УДЖ 620.1
4. Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть II. Деформация: Учебник для вузов. – М.:*МИСИС*, 1997. – 527 с.
5. Мешков Ю.Я. Физика разрушения стали и актуальные вопросы конструкционной прочности // Структура реальных металлов: Сб. науч. тр. – Киев: Наук. думка, 1988. – С.235-254.
6. Френкель Я.И. Введение в теорию металлов. Издание четвёртое. – Л.: «Наука», Ленингр. отд., 1972. 424 с.
7. Получение и свойства чугуна с шаровидным графитом. Под редакцией Гиршовича Н.Г. – М.,Л.: Ленинградское отделение Машгиза, 1962, – 351 с.
8. Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. Справочник. – М.: Металлургия, 1980. 296 с.

Конкурс «Я и моя профессия: металловед, технолог литейного производства». Узнать, участвовать >>>

Основной метод, позволяющий определять прочностные характеристики металлов — это испытание на статическое растяжение, без результатов которого сегодня не обходится выпуск ни одной металлопродукции.

В чем заключается исследование?

Для исследования на статическое растяжение подготавливается образец металла цилиндрической формы или в виде пластины стандартных размеров, который равномерно растягивают с неизменной скоростью. Испытание заканчивается, когда образец разрывается на две части.

Во время растяжения датчики разрывной машины фиксируют прилагаемую нагрузку и размеры образца, и воспроизводят информацию в виде диаграммы. Для материалов разных классов прочности могут требоваться разные нагрузки, поэтому разрывные машины подразделяются на три основных уровня в зависимости от максимального растягивающего усилия в 5, 10 и 40 тонн.

Испытание на статическое растяжение устанавливает следующие основные прочностные характеристики исследуемого материала:

• предел прочности, σв (МПа);
• предел текучести, σт (МПа);
• относительное удлинение, δ (%).

Предел прочности

Базовый параметр, о котором все слышали — это предел прочности материала. Он представляет собой отношение максимальной нагрузки (приведшей к разрыву металла) к площади сечения образца.

Предел текучести

Наиболее интересный параметр — это предел текучести. В начале испытания, когда образец начинают растягивать, деформации в его структуре носят обратимый характер. То есть, если прекратить растяжение до определенного момента, исследуемый образец вернет свое прежнее состояние за счет упругой деформации.

Однако, после достижения «точки невозврата» металл уже не может упруго вернуться к своим изначальным размерам — начинается необратимая пластическая деформация. Напряжение, при котором это происходит, фиксируется аппаратурой, и впоследствии учитывается при описании прочностных характеристик образца.

Интересно, что при расчете несущих конструкций инженеры в основном опираются на предел текучести, а не на предел прочности металла.

Пластическая деформация

Почти всегда пластические деформации при растяжении имеют локальный характер. Металл сужается и рвется в конкретном месте, чаще всего — в центральной части образца, где наблюдается максимальная объемная нагрузка. Под действием растягивающих напряжений на образце появляется так называемая «шейка», которая утоняется до тех пор, пока в структуре металла не начинают зарождаться микротрещины, и не происходит разрыв. Момент начала образования «шейки» характеризует предел прочности материала, при достижении которого на дальнейшее растяжение образца требуется приложение меньшего усилия за счет сужения площади поперечного сечения в области шейки.

Характеристики пластичности

Относительное удлинение — это разница между начальной и конечной длиной и растягиваемого образца, показывающая возможность металла пластически деформироваться до момента разрушения. У металлов с одинаковым пределом прочности относительное удлинение может различаться. Например, у ковкого чугуна марки КЧ50-5 этот показатель не превышает 5%, а у конструкционной стали 09Г2С достигает 20% при пределе прочности равном 490МПа для обоих материалов.

Металлургическая промышленность всегда стремится к созданию металлических материалов высокой прочности без потери пластичности, подбирая оптимальные химические составы стали, совершенствуя технологии производства. Для достижения высоких механических свойств, при сохранении того же состава и объемов изделия, подбираются уникальные режимы выплавки, механической, термической, химико-термической обработки для создания однородной, мелкозернистой, чистой и бездефектной структуры стали.