Предел пропорциональности (σ)
Максимальная величина напряжения для конкретного материала, при которой ещё действует закон Гука, т.е. деформация тела прямо пропорционально зависит от прикладываемой нагрузки (силы). Обратите внимание, что для множества материалов достижение (но не превышение!) предела упругости приводит к обратимым (упругим) деформациям, которые, впрочем, уже не прямо пропорциональны напряжениям. При этом такие деформации могут несколько «запаздывать» относительно роста или снижения нагрузки.
Диаграмма деформации металлического образца при растяжении в координатах удлинение (Є) — напряжение (σ).
Источник: www.smalley.ru
Предел прочности на растяжение стали
Стальные конструкции давно заменили прочие материалы, так как они обладают отличными эксплуатационными характеристиками – долговечностью, надежностью и безопасностью. В зависимости от применяемой технологии, он подразделяется на марки. От самой обычной с ПП в 300 Мпа, до наиболее твердой с высоким содержанием углерода – 900 Мпа. Это зависит от двух показателей:
- Какие способы термообработки применялись – отжиг, закалка, криообработка.
- Какие примеси содержатся в составе. Одни считаются вредными, от них избавляются для чистоты сплава, а вторые добавляют для укрепления.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Металлы и сплавы, используемые в качестве конструкционных материалов, должны обладать определенными механическими свойствами – прочностью, упругостью, пластичностью, твердостью.
Прочность – это способность металла сопротивляться деформации и разрушению.
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия сил. В основе пластических деформаций – необратимые перемещения атомов от исходных положений на расстояния, большие межатомных, изменение формы отдельных зерен металла, их расположения в пространстве.
Способность металлов пластически деформироваться называется пластичностью. Пластичность обеспечивает конструктивную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентратов напряжений – отверстий, вырезов и т.п. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности при холодном деформировании повышается прочность, но снижается пластичность.
Большинство механических характеристик металла определяют в результате испытания образцов на растяжение (ГОСТ 1497-84).
При растяжении образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей (расчетной) длиной lo строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузка Р – удлинение Dl образца (рис. 1).
Диаграмма растяжения характеризует поведение металла при деформировании от момента начала нагружения до разрушения образца. На диаграмме выделяют три участка: упругой деформации – до нагрузки Рупр; равномерной пластической деформации от Рупр до Рmax и сосредоточенной пластической деформации от Рmax до Рк . Если образец нагрузить в пределах Рупр , а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не обнаружится. Такой характер деформирования образца называется упругим. При нагружении образца более Рупр появляется остаточная (пластическая) деформация. Пластическое деформирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования. Упрочнение металла при деформировании называется наклепом. При дальнейшем нагружении пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца. После достижения максимального значения нагрузки Рmax в наиболее слабом месте появляется местное утонение образца – шейка, в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование. В это время между деформированными зернами, а иногда и внутри самих зерен могут зарождаться трещины. В связи с развитием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение металла, нагрузка уменьшается от Рmax до Рк ,и при нагрузке Рк происходит разрушение образца. При этом упругая деформация образца (Dlупр) исчезает, а пластическая (Dlост) остается (рис. 1).
Рис. 1. Диаграмма растяжения металла
При деформировании твердого тела внутри него возникают внутренние силы. Величину сил, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца, называют напряжением. Размерность напряжения кгс/мм
2 или
МПа
(1
кгс/мм2
=10
МПа
). Отмеченные выше нагрузки на кривой растяжения (Рупр, Рт, Рmax,Рк) служат для определения основных характеристик прочности (напряжений): предела упругости, физического предела текучести, временного сопротивления (предела прочности) и истинного сопротивления разрушению.
В технических расчетах вместо предела прочности обычно используется условный предел текучести, которому соответствует нагрузка Р0,2 (рис. 2).
Рис. 2. Участок диаграммы растяжения металла
При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Но поскольку площадь поперечного сечения образца в каждый данный момент определить сложно, то при расчете предела упругости, предела текучести и временного сопротивления пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение образца остается неизменным. Истинное напряжение рассчитывается только при определении сопротивления разрушению. Условный предел текучести (s0,2) – это напряжение, при котором образец получает остаточное (пластическое) удлинение, равное 0,2 % своей расчетной длины:
,
где Р0,2 – нагрузка, вызывающая остаточное (пластическое) удлинение, равное 0,2 %, кгс
(Н);
Fо – начальная площадь поперечного сечения образца,
мм2
.
Временное сопротивление (предел прочности) sв – это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.
,
где Рmax – максимальная нагрузка, предшествующая разрушению, кгс (H)
. Временное сопротивление (предел прочности) характеризует несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению. Истинное сопротивление разрушению (Sk) – истинное напряжение, предшествующее моменту разрушения образца
,
где Рк – нагрузка, непосредственно предшествующая моменту разрушения, кгс (Н)
. Fк – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения,
мм2
.
Несмотря на то, что Рmax больше Рк , истинное сопротивление разрушению Sк > sв , поскольку площадь поперечного сечения образца в месте разрушения Fк значительно меньше начальной площади поперечного сечения Fо.
Для оценки пластичности металла служат относительное удлинение образца при растяжении (d, %
) и относительное сужение площади поперечного сечения образца (y,
%
).
Относительное удлинение после разрыва (d, %
) определяется по формуле:
где lк – рабочая длина образца после испытания, мм
; lо – рабочая длина до испытания,
мм
.
Относительное сужение поперечного сечения после разрыва (y, %
) определяется из выражения:
где Fо – начальная площадь поперечного сечения образца, мм2
; Fк – площадь сечения образца вместе разрушения,
мм2
.
Практически для определения нагрузки, которая вызывает деформацию, соответствующую условному пределу текучести, следует выполнить следующие действия. На диаграмме растяжения провести прямую ОА (рис. 2), совпадающую с прямолинейным участком диаграммы растяжения. Определить положение точки О. Через точку О провести ось ординат ОР. Масштаб записи диаграммы по нагрузке: одному миллиметру ординаты соответствует 2 кгс
нагрузки. Численная величина искомой нагрузки Р (
кгс
) равна соответствующей ординате диаграммы (
мм
), умноженной на масштаб диаграммы (2
кгс/мм
). Для определения нагрузки, соответствующей условному пределу текучести Р0,2, необходимо от начала координат по оси абсцисс отложить отрезок ОВ, величина которого равна заданному остаточному удлинению 0,2 %. Длина отрезка ОВ (
мм
) рассчитывается по формуле:
,
где lо – рабочая длина образца, мм
; М – масштаб записи диаграммы по деформации.
Из точки В провести прямую ВД, параллельную прямолинейному участку диаграммы растяжения (рис. 2), до пересечения с диаграммой.
Используя известный масштаб записи диаграммы по нагрузке, определить численные значения нагрузок Р02, Рmах, Рк, после чего рассчитать соответствующее напряжения: s0,2 , sв, Sк. Полученные данные занести в протокол испытания.
Предел пропорциональности
Это показатель, определяющий длительность оказываемых нагрузок к деформации тела. При этом оба значения должны изменяться в разный степени по закону Гука. Простыми словами: чем больше оказывается сжатие (растяжение), тем сильнее деформируется образец.
Значение каждого материала находится между абсолютной и классической упругостью. То есть если изменения обратимы, после того как сила перестала действовать (форма стала прежняя – пример, сжатие пружины), то такие параметры нельзя называть пропорциональными.
Разница между пределом текучести и пределом прочности при растяжении
Главное отличие
Прежде чем проводить различие между пределом текучести и пределом прочности при растяжении, следует хорошо знать такие термины, как напряжение и деформация, поскольку основные концепции обоих этих терминов лежат в основе обеих этих значений прочности. Приложенная сила может деформировать объекты, напряжение и деформация взаимосвязаны и имеют прочную связь с деформирующими силами. Напряжение — это мера деформирующей силы на единицу площади тела, тогда как деформация — это относительное изменение длины тела из-за деформирующих сил. Напряжение имеет ту же единицу, что и давление, Паскаль (Па), тогда как при деформации, где все связано с изменением длины, оно обозначается как процентное изменение длины тела из-за деформирующей силы. Следует отметить, что чем больше нагрузка на объект, тем больше нагрузка. Следуя этим концепциям, предел текучести — это минимальное напряжение, при котором объект вызывает остаточную деформацию, тогда как предел прочности при растяжении — это максимальное напряжение, которое объект может выдержать перед разрушением или разрушением. Деформация, о которой мы здесь говорим, является деформацией и вызывается напряжением на поверхности объекта. Эластичность — еще один связанный термин, поскольку это способность объекта выдерживать нагрузку и возвращать объект в исходное состояние.
Сравнительная таблица
Что такое предел текучести?
Когда объект помещен и к нему не прикладывается никакая внешняя сила или напряжение, в нем не происходит никаких изменений. Фактически приложенное напряжение вызывает деформацию объекта, тогда как другие силы могут изменить его движение со статического на кинетическое или наоборот. Приложенное напряжение не приводит к быстрым изменениям, оно зависит от природы объекта и приложенного к нему напряжения. Сначала, когда прикладывается напряжение, кажется, что объект мог деформироваться, но он возвращается к реальной форме или размеру, что связано с эластичностью этого объекта. Хотя в какой-то момент, когда прикладывается напряжение, объект деформируется навсегда и не возвращается в исходное положение. Минимальное напряжение, при котором объект вызывает остаточную деформацию, — это предел текучести.
Предел прочности?
Концепция прочности на разрыв также связана с напряжением и деформацией, и это точка, которая следует за пределом текучести. Когда к объекту прикладывается напряжение и он деформируется постоянно, это предел текучести, хотя, когда напряжение применяется даже после деформации объекта, точка наступает, когда объект ломается или разрушается. Прочность на растяжение — это максимальное напряжение, которое объект может выдержать перед разрушением или разрушением. Например, резинка имеет один из максимальных показателей прочности на разрыв, поскольку она более эластична, а это означает, что она может выдерживать большее напряжение перед разрушением. Когда к резинке прикладывается напряжение, она так долго деформируется или растягивается, но, наконец, приходит время, когда она ломается.
Предел текучести в зависимости от прочности на разрыв
- Напряжение — это мера деформирующей силы на единицу площади тела, тогда как деформация — это относительное изменение длины тела из-за деформирующих сил.
- Предел текучести — это минимальное напряжение, при котором объект вызывает остаточную деформацию, тогда как предел прочности при растяжении — это максимальное напряжение, которое объект может выдержать перед разрушением или разрушением.
- Эластичность — еще один связанный термин, поскольку это способность объекта выдерживать нагрузку и возвращать объект в исходное состояние.
