Предел прочности

Предел прочности

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 σВ 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 σB/Zeit — предел ограниченной длительной прочности на заданный срок службы. [1]

Напряжения при растяжении-сжатии.

Определенная методом сечений продольная сила N, является равнодействующей внутренних усилий распределенных по поперечному сечению стержня (рис. 2, б). Исходя из определения напряжений, согласно выражению (1), можно записать для продольной силы:

где σ — нормальное напряжение в произвольной точке поперечного сечения стержня.
Чтобы определить нормальные напряжения в любой точке бруса необходимо знать закон их распределения по поперечному сечению бруса. Экспериментальные исследования показывают: если нанести на поверхность стержня ряд взаимно перпендикулярных линий, то после приложения внешней растягивающей нагрузки поперечные линии не искривляются и остаются параллельными друг другу (рис.6, а). Об этом явлении говорит гипотеза плоских сечений (гипотеза Бернулли): сечения, плоские до деформации, остаются плоскими и после деформации.

Так как все продольные волокна стержня деформируются одинаково, то и напряжения в поперечном сечении одинаковы, а эпюра напряжений σ по высоте поперечного сечения стержня выглядит, как показано на рис.6, б. Видно, что напряжения равномерно распределены по поперечному сечению стержня, т.е. во всех точках сечения σ = const. Выражение для определения величины напряжения имеет вид:

Таким образом, нормальные напряжения, возникающие в поперечных сечениях растянутого или сжатого бруса, равны отношению продольной силы к площади его поперечного сечения. Нормальные напряжения принято считать положительными при растяжении и отрицательными при сжатии.

Предел прочности материала при растяжении — это интенсивное свойство ; поэтому его значение не зависит от размера испытуемого образца. Однако в зависимости от материала это может зависеть от других факторов, таких как подготовка образца, наличие или отсутствие поверхностных дефектов, а также температура окружающей среды и материала для испытаний.

Некоторые материалы ломаются очень резко без пластической деформации , что называется хрупким разрушением. Другие, которые являются более пластичным, включая большинство металлов, испытывают некоторую пластическую деформацию и , возможно , сужения до того перелома.

Прочность на растяжение определяется как напряжение, которое измеряется как сила на единицу площади. Для некоторых неоднородных материалов (или для собранных компонентов) это может быть указано как сила или сила на единицу ширины. В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения является паскаль (Па) (или кратное ему число, часто мегапаскали (МПа), с использованием префикса СИ мега ); или, что эквивалентно паскалям, ньютонам на квадратный метр (Н / м²). Обычная единица измерения в США — фунты на квадратный дюйм (фунт / дюйм² или фунт / кв. Дюйм) или килофунты на квадратный дюйм (ksi, а иногда и kpsi), что равно 1000 psi; килограммы на квадратный дюйм обычно используются в одной стране (США) при измерении прочности на разрыв.

Пластичные материалы

  • 1: Максимальная сила
  • 2: Предел текучести (предел текучести)
  • 3: Разрыв
  • 4: Область деформационного упрочнения
  • 5: область шеи
  • A: Видимое напряжение ( F / A )
  • B: Фактическое напряжение ( F / A )

Многие материалы могут демонстрировать линейное упругое поведение , определяемое линейной зависимостью напряжения от деформации , как показано на рисунке 1 до точки 3. Упругое поведение материалов часто распространяется в нелинейную область, представленную на рисунке 1 точкой 2 ( «предел текучести»), до которого деформации полностью восстанавливаются при снятии нагрузки; то есть образец, нагруженный упруго при растяжении, будет удлиняться, но после разгрузки вернется к своей исходной форме и размеру. За пределами этой упругой области для пластичных материалов, таких как сталь, деформации пластичны . Пластически деформированный образец не возвращается полностью к своим первоначальным размерам и форме после разгрузки. Для многих приложений пластическая деформация недопустима и используется в качестве конструктивного ограничения.

После предела текучести пластичные металлы подвергаются периоду деформационного упрочнения, в котором напряжение снова увеличивается с увеличением деформации, и они начинают сужаться , поскольку площадь поперечного сечения образца уменьшается из-за пластического течения. В достаточно пластичном материале, когда образование шейки становится существенным, это вызывает изменение инженерной кривой напряжения-деформации (кривая A, рисунок 2); это связано с тем, что инженерное напряжение рассчитывается исходя из первоначальной площади поперечного сечения до образования шейки. Точка разворота — это максимальное напряжение на инженерной кривой «напряжение-деформация», а координата инженерного напряжения этой точки — это предел прочности на растяжение, определяемый точкой 1.

Предел прочности при растяжении не используется при проектировании пластичных статических элементов, поскольку методы проектирования диктуют использование предела текучести . Однако он используется для контроля качества из-за простоты тестирования. Он также используется для приблизительного определения типов материалов для неизвестных образцов.

Предел прочности на растяжение является обычным инженерным параметром при проектировании элементов, изготовленных из хрупкого материала, поскольку такие материалы не имеют предела текучести .

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 10 7 . 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.

Читайте также  Размер лего кирпича

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.

Условный предел текучести

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

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

Характеристики, определяемые при статических испытаниях на растяжение

Исследования осуществляются в испытательных машинах с ручным или гидравлическим приводом. Второй вариант обеспечивает возможность создания гораздо большей мощности. По результатам исследований составляют диаграмму растяжения.

При механических статических испытаниях на растяжение, проводимых в соответствии с ГОСТом 1497-84, определяют комплекс свойств стали.

Характеристики прочности

  • Предел пропорциональности – Ϭп. Характеризует напряжение, выше которого прекращает свое действие закон Гука. После наклепа металла, который, например, осуществляется при холодном деформировании, Ϭп возрастает в 1,5-1,8 раза.

Определение! В законе Гука утверждается, что деформация, образующаяся в упругом теле, прямо пропорциональна прилагаемому усилию.

  • Предел текучести – Ϭт. Это нагрузка, при которой деформация повышается при постоянном напряжении. Присутствующая явно горизонтальная площадка на диаграмме может отсутствовать. В этой ситуации устанавливают условный Ϭт, при котором остаточные деформации примерно равны 0,2%.
  • Предел прочности (временное сопротивление разрыву) – Ϭв. Это максимальное усилие, при котором образец не разрушается. Его превышение приведет к разрыву стержня.
  • Напряжение разрыва – Ϭр. При испытаниях на прочность определяют два вида напряжения разрыва – условное и истинное.

Характеристики упругости

  • Предел упругости – Ϭу. Соответствует нагрузке, при которой остаточное удлинение равно 0,05%. Значения Ϭу и Ϭп на диаграмме находятся рядом, поэтому Ϭу устанавливается при очень тонких исследованиях.

Характеристики пластичности

  • Относительное остаточное удлинение. Определяется по формуле Δ=(L1-L0)*100% / L0, в которой L0 – исходная длина образца, L1 – расчетная после окончания исследований.
  • Относительное остаточное сужение. Ψ=(А0-Аш)*100% / А0, А0 – площадь сечения стержня до испытаний, Аш – площадь сечения шейки.

Сопротивление металла пластическому деформации, обычно измеряемое путем отпечатка.

Твердость Бринелля (HB)

Сопротивление проникновению сферического индентора при стандартизированных условиях.

Для алюминия и алюминиевых сплавов твердость НВ приблизительно равна 0,3·Rm, где Rm – предел прочности при растяжении, выраженный в МПа [2].

Если применяется индентор из карбида вольфрама, то применяется обозначение HBW.

Твердость Викерса (HV)

Сопротивление проникновению алмазного индентора в виде квадратной пирамиды при стандартизированных условиях. Твердость HV приблизительно равна 1,10·HB [2].

Предел прочности при растяжении

Содержание:

  • Обозначения конструкционных сталей
  • Сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества
  • Сталь конструкционная углеродистая качественная
  • Сталь конструкционная легированная
  • Сталь конструкционная низколегированная для сварных конструкций
  • Сталь конструкционная подшипниковая
  • Сталь конструкционная рессорно-пружинная
  • Сталь конструкционная высокопрочная высоколегированная
  • Сталь конструкционная повышенной обрабатываемости
  • Сталь конструкционная криогенная

    Конструкционные стали — стали, которые применяются для изготовления частей машин и сооружений. В общем объёме производства стали, наибольшее количество приходится на конструкционные стали. По своему составу и характеристикам конструкционные стали делятся на углеродистые стали, стали для сварных конструкций, стали для подшипников и рессор.

Обозначения конструкционных сталей

При расшифровке марок сталей используются следующие обозначения:
Химические добавки: Х — хром, Н — никель, К — кобальт, М — молибден, В — вольфрам, Т — титан, Д — медь, Г — марганец, С — кремний, Ф — ванадий, Р — бор, А — азот, Б — ниобий, Е — селен, Ц — цирконий, Ю — алюминий, Ч — показывает о наличии редкоземельных металлов.
Конструкционные стали обыкновенного качества нелегированные обозначаются буквами Ст, например Ст20, Ст45.
Буквенные обозначения применяются также для указания способа раскисления стали:
КП — кипящая сталь;
ПС — полуспокойная сталь;
СП — спокойная сталь.
Например, Ст3кп.
Цифра, стоящая после букв, условно обозначает (в десятых долях) процентное содержание углерода в стали. Например, Ст20, означает, что сталь содержит 0,2% углерода.
Если первым в марке стали стоит число, то это число указывает содержание углерода в десятых долях процента, например 12Г2 — углерода 0,12%. Так же в марках сталей после букв обозначающих химические добавки ставится число указывающее содержание добавки в процентах, например 12Г2 — углерода 0,12%, марганца — 2%. Обычно числа после обозначения химической добавки ориентировочные, если числа нет, то содержание химической добавки в стали менее 1,5%.

Сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества

Марка стали Предел прочности при растяжении (МПа) Твёрдость по Бринеллю (НВ МПа) Примечание
ВСт2кп 320-410 Неответственные детали повышенной пластичности, малонагруженные элементы сварных конструкций, работающие при постоянных нагрузках и положительных температурах.
ВСт2пс 330-430 Неответственные детали повышенной пластичности, малонагруженные элементы сварных конструкций, работающие при постоянных нагрузках и положительных температурах.
ВСт2сп 350 — 395 137 неответственные детали, требующие повышенной пластичности или глубокой вытяжки, малонагруженные элементы сварных конструкций, работающие при постоянных нагрузках и положительных температурах.
ВСт3Гпс 370-490 Фасонный и листовой прокат толщиной от 10 до 36 мм для несущих элементов сварных конструкций, работающих при переменных нагрузках и для ненесущих элементов сварных конструкций.
ВСт3кп 360-460 Фасонный и листовой прокат толщиной от 10 до 36 мм для несущих элементов сварных конструкций, работающих при переменных нагрузках.
ВСт3пс 370-480 Несущие и ненесущие элементы сварных и несварных конструкций и деталей, работающих при положительных температурах. Фасонный и листовой прокат (5-й категории) толщиной до 10 мм для несущих элементов сварных конструкций, работающих при переменных нагрузках.
ВСт3сп 370-480
ВСт4кп 400-510 Сварные, клепаные и болтовые конструкции повышенной прочности в виде сортового, фасонного и листового проката. Ограниченно свариваемая.
ВСт4пс 410-530 Сварные, клепаные и болтовые конструкции повышенной прочности в виде сортового, фасонного и листового проката, а также для малонагруженных деталей типа валов, осей, втулок и др. Ограниченно свариваемая.
ВСт5пс 490-630 Детали клепаных конструкций, болты, гайки, ручки, тяги, втулки, ходовые валики, клинья, цапфы, рычаги, упоры, штыри, пальцы, стержни, звездочки, трубчатые решетки, фланцы и другие детали.
ВСт5сп 490-630 То же, что и у предыдущей марки. Ограниченно свариваемая.
ВСт6пс Не менее 590 158 Для деталей повышенной прочности: осей, валов, пальцев поршней и т. д.
ВСт6сп Не менее 590 197 Для деталей повышенной прочности: осей, валов, пальцев поршней и других деталей в термообработанном состоянии, а также для стержневой арматуры периодического профиля.
Ст0 Не менее 300 103-107 Для второстепенных моментов конструкций и неответственных деталей: настилы, арматура, подкладка, шайбы, перила, кожухи, обшивки и другие. Свариваемость без ограничений.
Ст1 310 — 420 Детали высокой вязкости и низкой твердости, анкерные болты, связывающие обшивки, неответственная арматура, заклепки и котельные связи, балки двутавровые, швеллеры, угловая сталь. Свариваемость без ограничений.
Ст1кп 310-400 То же, что и у предыдущей марки.
Ст1пс 320-420 То же, что и у предыдущей марки.
Ст1сп 320-420 То же, что и у предыдущей марки.
Ст2кп 330-420 116 Неответственные детали, требующие повышенной пластичности или глубокой вытяжки; маланагруженные элементы сварных конструкций, работающие при постоянных нагрузках и при положительных температурах. Свариваемость без ограничений.
Ст2пс 340-440 116 То же, что и у предыдущей марки.
Ст2сп 340-440 116 То же, что и у предыдущей марки.
Ст3Гпс 380-500 Для несущих элементов сварных конструкций, работающих при переменных нагрузках при температуре от -20 до 425 градусов.
Ст3Гсп 390-570 Балки двутавровые, швеллеры, угловая сталь.
Ст3кп 370-470 131 Для малонагруженных элементов сварных и несварных конструкций и деталей, работающих при температуре от -40 до 400 градусов, фасонные профили для вагонов.
Ст3пс 380-490 131 Несущие элементы сварных и несварных конструкций и деталей, работающих при положительных температурах.
Ст3сп — она же Ст3 380-490 131 То же, что и у предыдущей марки.
Ст4кп 410-520 143 Балки двутавровые, швеллеры, угловая сталь.
Ст4пс 420-540 143 То же, что и у предыдущей марки.
Ст4сп 420-540 143 То же, что и у предыдущей марки.
Ст5Гпс 400-600 170 Балки двутавровые, швеллеры, угловая сталь.
Ст5пс 500-640 170 Детали клёпаных конструкций, болты, гайки, ручки, тяги, втулки, ходовые валики, клинья, стержни, звездочки, трубные решетки, фланцы и другие детали, работающие при температуре от 0 до 425 градусов.
Ст5сп 500-640 170 То же, что и у предыдущей марки.
Ст6пс 600 197 Бабы молотов, шпиндели, клинья, ломы строительные и т.д. Свариваемость — ограниченно свариваемая.
Ст6сп 600 197 То же, что и у предыдущей марки.

Сталь конструкционная углеродистая качественная

Марка стали

Предел прочности при растяжении (МПа)

Твёрдость по Бринеллю (НВ МПа )

Расчеты на прочность при растяжении и сжатии.

Целью расчета любой конструкции является использование полученных результатов для оценки пригодности этой конструкции к эксплуатации при минимальном расходе материала, что находит отражение в методах расчета на прочность и жесткость.

Условие прочности стержня при его растяжении (сжатии):

При проектном расчете определяется площадь опасного сечения стержня:

При определении допускаемой нагрузки рассчитывается допускаемая нормальная сила: