Пределом текучести называют механическую характеристику материала, характеризующую напряжение, при котором деформации продолжают расти без увеличения нагрузки.
Обозначение σ т Единица измерения – Паскаль [Па] либо кратные [МПа].
На диаграмме напряжений (рис. 1) обозначается точкой, в которой начинается практически горизонтальный участок диаграммы, называемый площадкой текучести.
Рис. 1. Предел текучести
Это важный параметр, с помощью которого рассчитываются допустимые напряжения для пластичных материалов.
После прохождения предела текучести в металле образца начинают происходить необратимые изменения, перестраивается кристаллическая решетка металла, появляются значительные пластические деформации. При этом металл самоупрочняется, об этом говорит то, что после площадки текучести деформации растут при возрастающем значении растягивающей силы.
Что называется площадкой текучести?
площадка текучести
— Напряжение в материале обычно меньшее, чем максимальное напряжение, при котором увеличение деформации происходит без увеличения напряжения.
Интересные материалы:
Сколько зарабатывают мастера маникюра в Турции? Сколько зарабатывают переводчики в Узбекистане? Сколько зарабатывают пешие курьеры? Сколько зарабатывают полицейские в Турции? Сколько зарабатывают повара в школе? Сколько зарабатывают повара в Турции? Сколько зарабатывают земельно имущественным отношениям? Сколько зарабатывал Мавроди в день? Сколько заработал Мармок на ютубе? Сколько заработал за бой Мейвезер Макгрегор?
Проверка сплава
Перед запуском в производство для изучения свойств металлического сплава, проводят испытания. На образцы металла воздействуют различными нагрузками до полной потери всех свойств.
Нагрузки бывают:
- 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.
Условный предел текучести
В случаях, когда на диаграмме напряжений нет выраженной площадки текучести, определяют так называемый условный предел текучести
σ 0,2. Это величина напряжений, при которых относительные остаточные деформации равны 0,2%.
Рис. 2. Условный предел текучести
Для его определения (рис. 2) вдоль оси ε откладывается значение равное 0,2%, откуда проводится луч параллельный начальному участку диаграммы напряжений.
Точка пересечения луча с линией диаграммы есть условный предел текучести для данного материала.
Модуль упругости первого рода (Е) – физическая константа материала, определяемая путем эксперимента и являющаяся коэффициентом пропорциональности между напряжениями и деформациями:
σ = εЕ.
Модуль упругости можно определять измерением образца тензометром (расчетный способ) или графическим способом по начальному участку диаграммы растяжения.
Расчетный способ.
Нагружают образец равными ступенями до нагрузки, соответствующей напряжению, равному 70-80% от предполагаемого σпц. Величина ступени нагружения должна составлять 5-10% от предполагаемого
σпц. По результатам испытаний определяют среднюю величину приращения удлинения образца ∆lcp на ступень нагружения ∆Р.
Графический способ.
Записывают диаграмму нагружения образца в координатах «нагрузка (ордината) – деформация (абсцисса)». ∆Р и ∆lcp определяют по диаграмме на участке от нагрузки Р до нагрузки, соответствующей напряжению равному 70-80% от предполагаемого σпц.
Модуль упругости вычисляют по формуле
МПа
Стандарты регламентируют также определение относительного равномерного удлинения δР, конечной расчетной длины образца lK, относительного удлинения образца после разрыва δ, относительного сужения ψ.
Предел пропорциональности σпц – наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, можно определять расчетным или графическим способами.
Расчетным способомопределяют или с помощью зеркального прибора при последовательном нагружении образца. Нагружение ведут сначала крупными ступенями, а затем при напряжении 0,65-0,8 от определяемого σпц – малыми ступенями. Рпц определяют при установленном отклонении деформации от закона пропорциональности, фиксируемом показаниями тензометра.
Графическим способомРпц определяют по машинной диаграмме растяжения.
От начала координат (рис.2.7) проводят прямую, совпадающую с начальным линейным участком диаграммы растяжения.
На произвольном уровне нагрузки проводят прямую АВ, параллельную оси абсцисс, и на этой прямой откладывают отрезок kn, равный половине отрезка mk. Через точку n и начала координат проводят прямую On и параллельно ей проводят касательную CD к диаграмме растяжения. Точка касания определяет искомую нагрузку Рпц.
Рис.2.7. Графические способы определения предела пропорциональности по диаграмме растяжения
Предел пропорциональности вычисляют по формуле
, МПа
Предел упругости σ 0,05 – наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций. Так как пластические деформации в отдельных кристаллах появляются уже в самой ранней стадии нагружения, величина предела упругости (как и σпц) зависит от требований точности, которые налагаются на производимые измерения.
Расчетный способ.
Образец нагружают до величины в два раза больше начальной Р, и после выдержки в течение 5-7 с разгружают до Р. Затем образец нагружают до величины, соответствующей 70-80% от предполагаемого σ0,05. Дальнейшее нагружение проводят ступенями с выдержкой на каждой ступени 5-7 с и последующей разгрузкой до Р с измерением остаточного удлинения. Испытания прекращают, если остаточное удлинение превысит установленный допуск. По результатам испытаний определяют нагрузку Р0,05
Общие сведения и характеристики сталей
Сталь относят к ковкому деформируемому сплаву на основе железа с углеродом и добавками других элементов. Выплавляют материал из чугунных смесей с металлическим ломом в мартеновских, электрических и кислородных конверторных печах.
Равновесное состояние в структуре сталей
Сформировавшаяся кристаллическая решетка металла зависит от количества содержащегося в них углерода и определяется по структурной диаграмме в соответствии с процессами в этом сплаве. Например, решетка стали, в которой содержится до 0,06% углерода, имеет зернистую структуру и является ферритом в чистом виде. Прочность таких металлов небольшая, но материал обладает высоким пределом ударной вязкости и текучести. Структуры сталей в состоянии равновесия подразделяются:
- ферритная;
- перлитно-ферритная;
- цементитно-ферритная;
- цементитно-перлитная;
- перлитная;
Влияние содержание углерода на свойства сталей
Изменения главных составляющих цементита и феррита определяются свойствами первого по закону аддитивности. Увеличение процентной добавки углерода до 1,2% позволяет повысить прочность, твердость, порог хладоемкости на 20ºС и предел текучести. Повышение содержания углерода изменяет физические свойства материала, что иногда приводит к ухудшению технических характеристик, таких как способность к свариванию, деформации при штамповках. Отличным свариванием в конструкциях обладают низкоуглеродистые сплавы.
Добавки марганца и кремния
Марганец вводят в состав сплава в качестве технологической добавки для увеличения степени раскисления и уменьшения вредного воздействия серных примесей. В сталях он присутствует в виде твердых составляющих в количестве не более 0,8% и не оказывает существенного влияния на свойства металла.
Кремний действует в составе сплава аналогичным образом, добавляется при процессе раскисления в количестве не больше 0,38%. Для возможности соединения деталей сваркой содержание кремния не должно быть больше 0,24%. На свойства сталей кремний в составе сплава не влияет.
Примеси серы и фосфора
Пределом содержания серы в сплаве является порог в 0,06%, она содержится в виде хрупких сульфитов. Повышенное содержание примеси существенно ухудшает механические и физические свойства сталей. Это выражается в уменьшении пластичности, предела текучести, ударной вязкости, сопротивления истиранию и коррозии.
Содержание фосфора также ухудшает качественные показатели металлических сплавов, предел текучести после увеличения фосфора в составе повышается, но снижается вязкость и пластичность. Стандартное содержание примеси в сплаве регламентируется интервалом от 0,025 до 0,044%. Наиболее сильно фосфор ухудшает свойства сталей при одновременном высоком показателе добавок углерода.
Азот и кислород в сплаве
Эти вещества загрязняют сталь неметаллическими примесями и ухудшают ее механические и физические показатели. В частности, это относится к порогу вязкости и выносливости, пластичности и хрупкости. Содержание в сплаве кислорода в размере больше, чем 0,03% вызывает быстрое старение металла, азот увеличивает ломкость и повышает со временем деформационное старение. Содержание азота увеличивает прочность, тем самым понижая предел текучести.
Легирующие добавки в составе сплавов
К легированным относят стали, в которые специально вводятся в определенных сочетаниях элементы для повышения качественных характеристик. Комплексное легирование дает наилучшие результаты. В качестве добавок применяют хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан и другие.
Легированием повышают предел текучести и другие технологические свойства, такие как ударная вязкость, сужение и возможность прокаливания, снижение порога деформации и растрескивания.
Предел текучести труб
Наиболее наглядным является влияние данной величины при строительстве трубопроводов систем высокого давления. В таких конструкциях должна использоваться специальная сталь, у которой достаточно большие пределы текучести, а также минимальные показатели разрыва между данным параметром и пределом прочности. Чем больше у стали предел, тем, естественно, более высоким должен быть показатель допустимой величины рабочего напряжения. Данный факт оказывает прямое влияние на значение прочности стали, и соответственно, всей конструкции в целом. В связи с тем что параметр допустимой расчетной величины системы напряжений оказывает непосредственное влияние на необходимое значение толщины стен в используемых трубах, то важно максимально точно рассчитывать характеристики прочности стали, которая будет использоваться при изготовлении труб. Одним из наиболее аутентичных методов определения данных параметров является проведение исследования на разрывном образце. Во всех случаях требуется учитывать разницу значений рассматриваемого показателя, с одной стороны, и допустимыми значениями напряжений – с другой.
Кроме того, следует знать, что предел текучести металла всегда устанавливается в результате проведения детальных многоразовых замеров. А вот систему допустимых напряжений в подавляющем большинстве принимают исходя из нормативов или вообще в результате проведенных технических условий, а также опираясь на личный опыт производителя. В системах магистральных трубопроводов весь нормативный сборник описан в СНиП II-45—75. Итак, установка коэффициента запаса прочности – довольно сложная и весьма важная практическая задача. Корректное определение этого параметра всецело зависит от точности рассчитанных величин напряжения, нагрузки, а также предела текучести материала.
При выборе теплоизоляции систем трубопроводов также опираются на данный показатель. Это связано с тем, что эти материалы непосредственно вступают в контакт с металлической основой трубы, и, соответственно, могут принимать участие в электрохимических процессах, пагубно влияющих на состояние трубопровода.
Расчеты на прочность при растяжении (сжатии)
Начнем, пожалуй, с самого простого вида деформации растяжения (сжатия). Напряжение при центральном растяжении (сжатии) можно получить, разделив продольную силу на площадь поперечного сечения, а условие прочности выглядит вот так:
где сигма в квадратных скобках – это допустимое напряжение. Которое можно получить, разделив предельное напряжения на коэффициент запаса прочности:
Причем, за предельное напряжение для разных материалов принимают разное значение. Для пластичных материалов, например, для малоуглеродистой стали (Ст2, Ст3) принимают предел текучести, а для хрупких (бетон, чугун) берут в качестве предельного напряжения – предел прочности (временное сопротивление). Эти характеристики получают при испытании образцов на растяжение или сжатие на специальных машинах, которые фиксируют характеристики в виде диаграммы.
