Предел прочности стали формула

Определённая пороговая величина для конкретного материала, превышение которой приведёт к разрушению объекта под действием механического напряжения. Основные виды пределов прочности: статический, динамический, на сжатие и на растяжение.

Например, предел прочности на растяжение — это граничное значение постоянного (статический предел) или переменного (динамический предел) механического напряжения, превышение которого разорвет (или неприемлемо деформирует) изделие.

Единица измерения — Паскаль , Н/мм ² = .

Предел текучести (σт)

Величина механического напряжения, при которой деформация продолжает увеличиваться без увеличения нагрузки; служит для расчётов допустимых напряжений пластичных материалов.

После перехода предела текучести в структуре металла наблюдаются необратимые изменения: кристаллическая решетка перестраивается, появляются значительные пластические деформации. Вместе с тем происходит самоупрочнение металла и после площадки текучести деформация возрастает при увеличении растягивающей силы.

Нередко этот параметр определяют как «напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация» , таким образом, отождествляя пределы текучести и упругости. Однако следует понимать, что это два разных параметра. Значения предела текучести превышают предел упругости ориентировочно на 5%.

Предел выносливости или предел усталости (σR)

Способность материала воспринимать нагрузки, вызывающие циклические напряжения.

Этот прочностной параметр определяют как максимальное напряжение в цикле, при котором не происходит усталостного разрушения изделия после неопределенно большого количества циклических нагружений (базовое число циклов для стали Nb = 10 7).

Коэффициент R (σR) принимается равным коэффициенту асимметрии цикла. Поэтому предел выносливости материала в случае симметричных циклов нагружения обозначают как σ-1, а в случае пульсационных — как σ0.

Отметим, что усталостные испытания изделий очень продолжительны и трудоёмки, они включают анализ больших объёмов экспериментальных данных при произвольном количестве циклов и существенном разбросе значений.

Поэтому чаще всего используют специальные эмпирические формулы, связывающие предел выносливости с другими прочностными параметрами материала. Наиболее удобным параметром при этом считается предел прочности.

Для сталей предел выносливости при изгибе как правило составляет половину от предела прочности: Для высокопрочных сталей можно принять:

Для обычных сталей при кручении в условиях циклически изменяющихся напряжений можно принять:

Приведённые выше соотношения стоит применять осмотрительно, потому что они получены при конкретных режимах нагружения, т.е. при изгибе и при кручении. Однако, при испытании на растяжение-сжатие предел выносливости становится примерно на 10—20% меньше, чем при изгибе.

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).
• 1:Предел абсолютной упругости.
• 2:Предел пропорциональности.
• 3:Предел упругости.

4:Предел текучести. (σ 0.2)

www.smalley.ru

Популярные виды бетона

Есть бетоны обычные или тяжелые (М25—М800) и легкие (М10—М200). Рассмотрим их подробнее.

Легкие

От М5 до М35 применяются для ненесущих конструкций – они не особо прочные. М50 и М75 подходят для подготовительных работ перед заливкой бетона. М100-М150 – для малоэтажного строительства, конструктива, перемычек.

М200-М300 используются для большинства строительных задач. М200 отвечает классу В15, его прочность 196 кгс/м2 или 15 МПа.

М250 (В20) имеет среднюю прочность 262 кгс/см2 или выдерживает давление 20 МПа, как и вышеуказанная марка набирает 70% прочности после 28 дней, а остальные 30% на протяжении полугода. Это легкие бетоны.

Стяжки, полы, отмостки, фундаменты, лестницы, подпорки, бордюры – наиболее часто изготавливают именно из него. Замерзает при минусовых температурах и теряет до 5% своей стойкости при размораживании.

Легкие бетоны можно проверить, ударив по ним молотком или проведя острым предметом – на поверхности останутся достаточно отчетливые следы.

Обычные

М350 (класс В25) – кубический метр этого бетона способен выдержать нагрузку в 25 МПа, он отвечает М250. М400 (класс В30) – выдерживает нагрузку 30 МПа. Эти марки и выше используются для многоэтажных зданий, несущих, монолитных конструкций, чаш бассейнов. Наиболее часто используется для дорожного покрытия, плит перекрытий, так как водонепроницаемый (класс W8), морозостойкий (F200).

Марки от М350 (классы от В25) и больше относятся к более прочным бетонам, они имеют высокую плотность и лучшие показатели стойкости к морозам и влажности, но намного тяжелее.

Преде́л про́чности

— механическое напряжение σ B> , выше которого происходит разрушение материала. Иначе говоря, это пороговая величина, превышая которую механическое напряжение разрушит некое тело из конкретного материала. Следует различать статический и динамический пределы прочности. Также различают пределы прочности на сжатие и растяжение.

Вязкость сталей

Важным механическим свойством стали является ее вязкость. Обычно термин вязкость применяют, как меру способности металла разрушаться нехрупко.

Характер разрушения – хрупкий или пластичный – хорошо рассматривать на примере ферритных сталей. Все металлы с объемноцентрированной кубической атомной решеткой – как и ферритные стали – имеют один общий недостаток.

Они разрушаются хрупко при низких температурах, тогда как при достаточно высоких температурах разрушаются нормально – пластически. Температура перехода от пластического разрушения к хрупкому называется температурой вязко-хрупкого перехода. Она определяется как температура, ниже которой происходит хрупкое разрушение.

Температуру хрупкого перехода можно в принципе определять испытанием на растяжение, но при одноосном растяжении ее величина значительно ниже, чем та, которую наблюдают в сложных стальных деталях.

Опыт показал, что испытания на ударную вязкость по методу Шарпи намного лучше согласуются с опытными данными по хрупкому разрушению сложных деталей. Схема метода испытания на ударную вязкость по Шарпи показана на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема ударного испытания по методу Шарпи

Прочность при сжатии

Прочность при сжатии – важное механическое свойство. Характеризуется пределом прочности породы при сжатии в сухом состоянии

Действующий стандарт на блоки подразделяет породы по Этому показателю на три класса: прочные (свыше 80 МПа), средней прочности (40—80 МПа), и низкопрочные (5—40 МПа).

Рис. 16. Схема гидравлического пресса для испытаний образцов на сжатие

Стандарт на камни бортовые (ГОСТ 6666—81) допускает изготовление этой продукции из горных пород с пределом прочности при сжатии не ниже, МПа: для изверженных пород – 90, метаморфических и осадочных – 60.

Стандарт на камни брусчатые (ГОСТ 23668—79) допускает изготовление их из изверженных пород с пределом прочности не ниже 100 МПа.

Стеновые камни из горных пород (ГОСТ 4001 – 84) в зависимости от предела прочности при сжатии подразделяются на 14 марок (от 4 до 400).

1 – станина; 2 – гидроцилиндр; 3 – поршень, 4 – нижняя плита; 5 – испытываемый образец камня; в – верхняя плита; 7 – установочный винт; 8 – манометры; 9 – насос

Определение предела прочности горных пород при сжатии производят на пяти образцах кубической формы с ребром 40—50 мм или цилиндрах диаметром и высотой 40 – 50 мм. Каждый образец перед испытанием очищают щеткой от рыхлых частиц, пыли и высушивают до постоянной массы.

Затем тщательно обрабатывают на шлифовальном станке грани образцов, к которым будет приложена нагрузка, для обеспечения их параллельности. После этого образцы измеряют штангенциркулем, устанавливают в центре опорной плиты пресса (рис.

16), имеющей разметку для центровки образцов, и прижимают верхней плитой пресса, которая должна плотно прилегать по всей поверхности верхней грани образцов.

Нагрузку на образец при испытании увеличивают непрерывно и постоянно со скоростью, обеспечивающей его разрушение через 20—60 с после начала испытаний.

Величина разрушающей нагрузки должна составлять не менее 10 % от предельно развиваемого прессом усилия.

Момент разрушения образца устанавливают по началу обратного движения указательной стрелки силоизмерителя при работающем нагружающем устройстве.

Классификация параметра

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

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

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

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

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

Классификация по назначению

Выше уже были приведена классификация видов сталей по назначению. Маркировка конструкционных сталей включает в себя такие обозначения:

• Строительная – обозначается буквой С и цифрами, характеризующими предел текучести.
• Подшипниковая – обозначается буквой Ш. Далее идет обозначение и содержание легирующих добавок, в основном, хрома.
• Инструментальная нелегированная – обозначается буквой У и содержанием углерода в десятых долях процента.
• Быстрорежущая – обозначается буквой Р и символами легирующих компонентов.
• Нелегированная конструкционная сталь имеет в обозначении символы Сп и число, показывающее содержание углерода в десятых или сотых долях процента.

1. Классификация стали по назначению
2. Остальные разновидности, в том числе и инструментальные марки из легированных сталей, не имеют специальных обозначений, кроме химического состава, поэтому расшифровку и назначение отдельных видов можно определить только по справочной литературе.

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.

7. Механические свойства [1960 — — Краткий справочник металлурга]

Модуль продольной упругости. Е, кг/мм2,- постоянная упругости, представляющая собой отношение нормального напряжения к соответствующему относительному удлинению при простом растяжении (сжатии) прямого стержня в пределах применимости закона Гука, т. е. в пределах, когда деформация пропорциональна напряжению. Модуль Е нелегированных и низколегированных сталей равен 2,0-2,2 ×104 кГ/мм2.

Коэффициент Пуассона, υ или μ — абсолютная величина отношения поперечного укорочения к продольному удлинению при простом растяжении прямого стержня в пределах применимости закона Гука.

Предел упругости, σуп, кГ/мм2, — напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой величины, характеризуемой определенным допуском, устанавливаемым техническими условиями (например, 0,001; 0,003; 0,005; 0,03 %). Обозначаются соответственно σ0,001, σ0,002 и т. д.

Предел пропорциональности, σпц или τпц или σp, кГ/мм2,- напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями (от закона Гука) достигает некоторой определенной величины, устанавливаемой техническими условиями (например, увеличение тангенса угла, образуемого касательной к кривой деформации с осью напряжений, на 10, 25, 50% своего первоначального значения).

Текучесть — нарастание во времени пластической деформации материала, не связанное с повышением напряжений.

Предел текучести физический σT или σS, кГ/мм2, наименьшее напряжение, вызывающее распространение по рабочей части образца остаточной (пластической) деформации, без заметного увеличения нагрузки, т. е. напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести в диаграмме растяжения (для материалов, обладающих текучестью).

Предел текучести условный, σ0,2, кГ/мм2 — напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает некоторой определенной величины, устанавливаемой техническими условиями (большей, чем это установлено для определяемого предела упругости). Если допуск особо не оговорен, подразумевается 0,2%.

Предел прочности (временное сопротивление разрыву), σпч или σb, кГ/мм2,- условное (т. е. относящееся к исходной площади поперечного сечения образца) напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца.

• Истинное сопротивление разрыву, Sk, кГ/мм2,- истинное нормальное напряжение в момент разрыва в наименьшем поперечном сечении образца в месте разрыва.
• Относительное удлинение образца при разрыве, δ, %, -отношение остающегося приращения расчетной длины образца (после разрыва) к ее исходной величине.
• Индексы при символах δs и δ10 обозначают отношение расчетной длины образца к его диаметру.
• Относительное сужение (сужение), ψ, %, -отношение уменьшения площади наименьшего поперечного сечения образца (после разрыва) к исходной площади поперечного сечения.

Испытание на кручение

1. Сдвиг при кручении (относительный), γ — отношение длины дуги поворота (сдвига) окружности одного поперечного образца относительно окружности другого его поперечного сечения к расстоянию между этими сечениями, выраженное в процентах или отвлеченным числом.

2. Сдвиг разделяется на упругий, исчезающий после снятия нагрузки, и остаточный, остающийся после снятия нагрузки.
3. Модуль сдвига, G, кГ/мм2,- постоянная упругости, представляющая собой отношение касательного напряжения к соответствующему углу сдвига в пределах применимости закона Гука.

Предел упругости при кручении, τуп или τe, кГ/мм2,- наибольшее касательное напряжение (вычисленное условно по формулам для упругого кручения), при котором наибольшие остаточные удлинения или сдвиг на поверхности образца достигают впервые некоторой величины, характеризуемой определенными допусками, устанавливаемыми для них техническими условиями (напр. 0,001; 0,002; 0,003; 0,005; 0,03%). Обозначаются соответственно τ0,001; τ0,002 и т. д.

• Предел пропорциональности при кручении, τпц или τр кГ/мм2 — наибольшее касательное напряжение (вычисленное условно по формулам для упругого кручения), при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями (от закона Гука) по поверхности образца достигает некоторой определенной величины, устанавливаемой техническими условиями, большей, чем это установлено для определяемого предела упругости (например, уменьшение тангенса угла, образуемого касательной кривой деформации с осью деформации на 10, 25, 50% своего первоначального значения).
• Предел текучести при кручении (условный), τ0,3, кГ/мм2 — касательное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого кручения, при котором остаточные деформации удлинения или сдвига по поверхности образца достигают 0,2%; 0,3% или другой, ранее установленной величины того же порядка, соответственно требованиям технических условий.
• Условный предел прочности при кручении, τпч кГ/мм2,- наибольшее касательное напряжение, вычисленное по формулам для упругого кручения и отвечающее наибольшему скручивающему моменту, предшествовавшему разрешению образца.
• Истинный предел прочности при кручении, tk кГ/мм2 — наибольшее касательное напряжение, вычисленное по формуле для кручения с учетом пластической деформации и отвечающее наибольшему скручивающему моменту, предшествовавшему разрушению образца.
• Относительный угол закручивания образца — отношение разности углов поворота двух сечений образца к расстоянию между ними при испытании на кручение образцов постоянного сечения или предел этого отношения.

Испытание на выносливость (усталость)

1. Усталость — процесс постепенного возникновения и затем развития трещины в материале под влиянием многократно повторяемых силовых воздействии на него.

2. Установившийся режим переменных напряжений — переменные напряжения с постоянными амплитудой, частотой и формой зависимости напряжения от времени.
3. Цикл напряжений — совокупность напряжений за один полный период при установившемся (простом периодическом режиме) нагружении.

Растягивающие напряжения считаются положительными, а сжимающие — отрицательными. При касательных напряжениях положительное направление выбирается произвольно.

Цикл характеризуется наибольшим σмакс и наименьшим σмин значениями напряжений для нормальных напряжений и соответственно τмакс и τмин и периодом Т, т. е. длительностью одного цикла.

• Наибольшее напряжение цикла σмакс — наибольшее по алгебраической величине напряжение цикла.
• Наименьшее напряжение цикла σмин — наименьшее по алгебраической величине напряжение цикла.
• Среднее напряжение цикла

алгебраическая полусумма наибольшего и наименьшего напряжений цикла.

Амплитуда цикла

1. алгебраическая полуразность наибольшего и наименьшего напряжений цикла.
2. Симметричный цикл — цикл с наибольшими и наименьшими напряжениями, одинаковыми по величине, но противоположные по знаку; коэффициент нессиметрии r = — 1.
3. Несимметричный цикл — цикл с неодинаковым по величине наибольшим и наименьшим напряжениями.
4. Знакопостоянный цикл — несимметричный цикл с наибольшим и наименьшим напряжениями одинаковых знаков.
5. Знакопеременный цикл — цикл с наибольшим и наименьшим напряжениями разных знаков.

Отнулевой цикл, пульсирующий цикл, нерекомендуемый термин,- несимметричный цикл, у которого наибольшее и наименьшее напряжения равны нулю. При применении термина следует указывать знак цикла.

Коэффициент несимметрии цикла

• отношение наименьшего напряжения цикла к наибольшему напряжению цикла, взятое с алгебраическим знаком.
• Предел выносливости при симметричных циклах — наибольшее для материала напряжение, которое он может выдержать повторно без разрушения N раз, где N — заданное техническими условиями большое число (например, 106, 107, 108).
• Предел ограниченной выносливости — наибольшее напряжение цикла, которое материал может выдержать при заданном Noгр раз, где Nогр меньше N.
• Предел выносливости при данном r, кГ/мм2 — наибольшее напряжение цикла (σмакс, σмакс), которое может выдержать образец заданное число N циклов нагружения.
• Предел выносливости при симметричном знакопеременном цикле обозначается σ-1 или τ-1.

Испытание на ползучесть и на длительную прочность

1. Ползучесть (крип) — медленное нарастание во времени пластической деформации материала при силовых воздействиях, меньших, чем те, которые могут вызвать остаточную деформацию при испытаниях обычной длительности.

2. Предел ползучести — σпл, τпл — наибольшее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток времени не превышают величины, установленной техническими условиями.
3. Скорость ползучести, v, % час — скорость пластической деформации при ползучести в данный момент времени и при данном напряжении.

4. Деформация ползучести — величина пластической деформации образца в процессе ползучести за данный промежуток времени.

Испытание на ударную вязкость

• Работа разрушения при ударном изгибе — работа, расходуемая для ударного излома образца данного типа.
• Ударная вязкость, аk , кГм/см2,- работа, затраченная на разрушение при изгибе, отнесенная к рабочему поперечному сечению образца.
• Разрушение материала — макроскопическое нарушение сплошности материала в результате тех или иных действий на него.
• Пластическое разрушение — разрушение, связанное с предшествовавшей разрушению пластической деформацией материала.
• Хрупкое разрушение — разрушение, не связанное с заметной пластической деформацией.

Испытание на твердость

1. Твердость H — свойство материала оказывать сопрогивление при местных контактных воздействиях пластической деформации пли хрупкому разрушению в поверхностном слое при определенных условиях испытания.

2. Макротвердость — твердость материала, определяемая по сопротивлению пластической деформации такого по величине объема, при котором не сказывается различие в действительной твердости его отдельных микрообъемов.
3. Микротвердость — твердость материала в его микроскопически малых объемах.

4. Твердость по Бринелю, НБ ( или НB , кГ/мм2 — твердость териала, определяемая путем вдавливания в него стального шарика при стандартных условиях испытания и вычисляемая как частное от деления нагрузки на поверхность полученного отпечатка, у которого диаметр измеряется после удаления нагрузки, а радиус поверхности условно принимается равным радиусу шарика.
5. Твердость по Бринелю может быть вычислена по формуле

где Р — нагрузка, кГ; D — диаметр шарика, мм; d — диаметр отпечатка, мм. Иногда твердость обозначается так: HB10/3000/15, где 10 — диаметр шарика, мм; 3000 — нагрузка, кГ; 15 — выдержка под нагрузкой, сек. Для получения подобных отпечатков при шариках диаметрами 5 и 2,5 мм (D5, D2,5) нагрузку выбирают пропорционально квадрату диаметра шарика. В этих случаях условия испытаний обозначают так: 5/750/15 или 2,5/50.

• Твердость по отпечатку конусом, НК , кГ/мм2 — твердость материала, определяемая путем вдавливания в него стального конуса с углом при вершине в 90° и вычисляемая как частное от деления нагрузки на боковую поверхность полученного отпечатка, у которого диаметр основания измеряется после удаления нагрузки, а угол при вершине отпечатка условно принимается равным углу конусного наконечника.
• Твердость по Роквеллу, HRB , HRC , HRA — твердость материала, определяемая путем вдавливания стального шарика или алмазного конуса стандартных размеров и измеряемая в условных единицах с помощью разных шкал по приращению остающейся глубины погружения при переходе от малого стандартного груза к большому.
• Применяются наконечники алмазного конуса с углом 120° и стальные шарики с диаметром 1,588 мм (1/16 дюйма); 3,175 мм (1/8 дюйма); 6,350 мм (1/4 дюйма).

Числа твердости получаются вычитанием разности глубин (мм), на которые вдавливается наконечник под действием двух приложенных к нему нагрузок — предварительной, равной 10 кГ, и общей (предварительной + основной) из некоторой постоянной. Для испытаний, производимых с шариковым наконечником, эта постоянная равна 0,26, для испытаний с алмазным наконечником — 0,2.

Число твердости по Роквеллу — число отвлеченное; оно обозначается знаком HR с добавлением к индексу обозначения шкалы А, В, С, по которой производилось испытание, например:

Число твердости по Роквеллу выражается формулой

1. где h — предварительная глубина внедрения стального шарика или алмазного конуса под действием нагрузки в 10 кГ;
2. h1 — окончательная глубина внедрения стального шарика или алмазного конуса под действием нагрузки в 60, 100 или 150 кГ после ее снятия и оставления нагрузки в 10 кГ;
3. k — постоянная величина, равная для шарика 0,26, для конуса 0,2;
4. c — углубление шарика или конуса на 0,002 мм, соответствующее одному делению циферблата индикатора.

Твердость по отпечатку пирамиды Нп, HV или НD твердость материала, определяемая путем вдавливания в него алмазной четырехгранной пирамиды стандартных размеров.

Она вычисляется как частное от деления стандартной нагрузки (кГ) на поверхность полученного отпечатка (мм), у которого диагонали основания измеряются после удаления нагрузки, а углы при вершине отпечатка условно принимаются равными углам при вершине пирамидального наконечника (136°).

Число твердости получают путем деления нагрузки (кГ) на поверхность отпечатка (мм2), вычисленную по его диагоналям.

Число твердости определяется по формуле

• где Р — нагрузка на пирамиду, кГ;
• α — угол между противоположными гранями пирамиды (α = 136°);
• d — среднее арифметическое обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.
• Твердость по царапанию, Hц — твердость материала, определяемая путем царапания его поверхности стандартным наконечником в определенных условиях.
• Твердость по отскоку (способ по Шору), Нот или Hsh — твердость материала, определяемая при падении на него бойка в стандартных условиях и измеряемая в условных единицах по высоте отскока бойка.

Испытание твердости методом упругого отскока. При испытании твердости по этому способу измеряют величину отскакивания стандартного бойка, свободно падающего с постоянной высоты. Боек изготовляют из стали с алмазом на его конце.

Ниже в таблице приводятся данные для пересчета с одной шкалы твердости в другую.

Переводная таблица твердости

Переводная таблица твердости

Механические свойства металлов

Механические свойства характеризуют способность матери­ала сопротивляться внешним механическим воздействиям. К основным механическим свойствам относятся прочность, пла­стичность, твердость, ударная вязкость и др.

Основные характеристики механических свойств сплавов цветных металлов:

Для стальных и железобетонных конструкций применяются углеродистые и низколегированные стали повышенной и высокой прочности. Стали для конструкций классифицируются по способу выплавки, технологии раскисления, химическому составу, способу упрочнения, качеству и назначению, а также по прочности.

По способу выплавки стали делятся на мартеновские, кислородно-конверторные и бессемеровские; по технологии раскисления — на спокойные, полуспокойные и кипящие (в том числе закупоренные кипящие); по способу упрочнения — на холоднодеформированные и термически обработанные (термоупрочненные).

Сталь по назначению подразделяется: на сталь общего назначения — углеродистая горячекатаная обыкновенного качества и сталь разных назначений — углеродистая горячекатаная повышенного качества (низколегированная) и высокой прочности.

Установлены следующие классы прочности стали (по значениям временного сопротивления и предела текучести): С 38/23, С 44/30, С 46/34, С 52/40, С 60/45, С 70/60.

Предел пропорциональности σпц — напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и удлинениями достигает некоторой устанавливаемой техническими условиями или стандартом величины (например, уменьшения тангенса угла наклона касательной к диаграмме растяжения по отношению к оси деформаций на 20 или 33% своего первоначального значения).

Предел упругости σуп — напряжение, при котором остаточные удлинения достигают некоторой малой величины, устанавливаемой техническими условиями или стандартом (например, 0,001; 0,01% и т. д.). Иногда предел упругости обозначается соответственно допуску σ0,001; σ0,01 и т. д.

Предел текучести σт для материалов, имеющих площадку текучести (малоуглеродистая сталь), определяется как напряжение, соответствующее нижней точке площадки текучести; для материалов, не имеющих площадки текучести, определяется условный предел текучести σ0,2 — напряжение, при котором остаточное удлинение образца достигает 0,2%.

Временное сопротивление (предел прочности) σв — напряжение, равное отношению наибольшей нагрузки, предшествовавшей разрушению образца, к первоначальной площади сечения образца.

Временное сопротивление можно отождествлять с пределом прочности только для хрупких материалов, разрушающихся без образования шейки. Для пластичных материалов это характеристика своеобразной потери устойчивости при растяжении, т. е.

характеристика сопротивления значительным пластическим деформациям.

Относительное удлинение при разрыве δ — отношение (обычно в %) приращения расчетной длины образца после разрыва к ее исходной величине. Для длинного круглого образца (lрасч=10d) – δ10; для короткого образца (lрасч=5d) – δ5.

Относительное сужение при разрыве ψ — отношение уменьшения площади наименьшего поперечного сечения образца (после разрыва) к исходной площади поперечного сечения образца.

Условный предел текучести при изгибе σт.и — нормальное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого изгиба, при котором остаточное удлинение наиболее напряженного крайнего волокна достигает 0,2% или другой величины того же порядка соответственно требованиям технических условий.

Временное сопротивление (предел прочности) при изгибе σв.и — нормальное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого изгиба и соответствующее наибольшей нагрузке, предшествовавшей излому образца.

Условный предел текучести при кручении τ0,2, τт — касательное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого кручения, при котором остаточные деформации удлинения или сдвига по поверхности образца достигают 0,2% или другой величины того же порядка соответственно требованиям технических условий.

Временное сопротивление (предел прочности) при кручении τв — касательное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого кручения и соответствующее наибольшему скручивающему моменту, предшествовавшему разрушению образца.

Твердость по Бринеллю НВ — твердость материала, определяемая путем вдавливания в него стального шарика и вычисляемая как частное от деления нагрузки на поверхность полученного отпечатка. Для некоторых материалов существует приблизительно прямая пропорциональность между твердостью НВ и временным сопротивлением; например, для углеродистых сталей σв ≈ 0,36 НВ.

• Твердость по Роквеллу HRC, HRB — твердость материала, определяемая путем вдавливания стального шарика или алмазного конуса стандартных размеров и измеряемая в условных единицах с помощью разных шкал по приращению оставшейся глубины погружения при переходе от малого стандартного груза к большому.
• Твердость по Виккерсу HV — твердость материала, определяемая путем вдавливания алмазной четырехгранной пирамиды стандартных размеров и вычисляемая как частное от деления стандартной нагрузки на боковую поверхность полученного отпечатка.
• Предел ползучести (условный) — длительно действующее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток Бремени при данной температуре не превышает величины, установленной техническими условиями.
• Предел длительной прочности — напряжение, вызывающее разрушение образца после заданного срока его непрерывного действия при определенной температуре.

Предел выносливости — наибольшее периодически изменяющееся напряжение, которое может выдержать материал без разрушения при большом числе циклов, заданном техническими условиями (например, 106; 107; 108). Обозначается при симметричном цикле σ-1 (изгиб), σ-1p (растяжение-сжатие), τ-1 (кручение), при пульсирующем цикле (напряжения меняются от нуля до максимума) соответственно σ0, σ0p и τ0.

1. Ударная вязкость ak — работа, затраченная на разрушение образца при ударном изгибе, отнесенная к рабочему поперечному сечению образца.
2. Упругое последействие: прямое — постепенное увеличение деформации после быстрого прекращения роста нагрузки; обратное — сохранение или медленное уменьшение деформации после быстрого снятия нагрузки или остановки разгрузки.
3. Наклеп — упрочнение металла, происходящее благодаря пластической деформации при процессах холодной обработки (холодной прокатке, вытяжке, волочении).

Старение (механическое) — самопроизвольное длительное изменение механических свойств стали после наклепа, вызванное фазовыми превращениями. Различают естественное старение, протекающее при комнатной температуре, и искусственное старение — при повышенных температурах.

Разрушение стали возможно вязкое (пластичное) — от сдвига, хрупкое — от отрыва. В обоих случаях разрушение состоит в нарушении целостности, в разрыве.

Нарушение сплошности может возникнуть при условии накопления энергии, отвечающей величине поверхностной энергии на поверхностях нарушения целостности, и в соответствии с этим расстояние между атомами должно достичь критических величин, при которых происходит нарушение связи между ними.

• Работа разрушения — величина всей площади диаграммы растяжения образца в координатах Р-∆l; упругая работа — площадь упругой части той же диаграммы; удельная работа — работа, приходящаяся на единицу объема рабочей части образца и соответствующая площади диаграммы растяжения в координатах σ-ε.
• Удельный вес в расчетах принимают равным для стали 7,85, для чугуна 7,2; удельный вес стали с содержанием 0,1% С — 7,06 (в жидком состоянии).
• Модуль упругости E стали и другие упругие константы практически не зависят от величины зерна, структуры, соотношений между объемами феррита и перлита, от содержания углерода и других легирующих добавок.

Модуль упругости для прокатной стали, литья, горячекатаной арматуры из сталей марок Ст.5 и Ст.3 Е=2,1·106 кГ/см2; для сталей 30ХГ2С и 25Г2С E=2·106 кГ/см2. Для холоднотянутой круглой и периодического профиля проволоки, а также для холодно-сплющенной арматуры E=1,8·106 кГ/см2.

1. Для пучков и прядей высокопрочной проволоки (с параллельным расположением проволок) Е=2·106 кГ/см2; для канатов стальных спиральных и канатов (тросов) с металлическим сердечником Е=1,5·104 кГ/см2; для тросов с органическим сердечником E=1,3·106 кГ/см2.
2. Для отливок из серого чугуна марок СЧ28-48, СЧ24-44, СЧ21-40 и СЧ18-36 E=1·106 кГ/см2.
3. Модуль сдвига для прокатной стали G=8,4·106 кГ/см2.
4. Коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации) μ=0,3.
5. Методы определения механических свойств металлов разделяют на:
6. — статические, когда нагрузка растет медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);
7. — динамические, когда нагрузка растет с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);
8. — циклические, когда нагрузка многократно изменяется по величине и направлению (испытания на усталость).
9. 1. Испытание на растяжение

При испытании на растяжение определяют предел прочности (σв), предел текучести (σт), относительное удлинение (δ) и относительное сужение (ψ).

Испытания проводят на разрывных машинах c использованием стандартных образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей (расчетной) длиной lo. В результате проведения испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 1).

На оси абсцисс указывается значение деформации, на оси ординат – значение нагрузки, которая прилагается к образцу.

Предел прочности (σв) – это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Pmax/Fo).

Предел прочности | это… Что такое Предел прочности?

Преде́л про́чности — механическое напряжение , выше которого происходит разрушение материала. Согласно ГОСТу 1497-84 более корректным термином является «Временное сопротивление разрушению», то есть напряжение, соответствующее наибольшему усилию, предшествующему разрыву образца при (статических) механических испытаниях. Термин происходит от того представления, что материал может бесконечно долго выдержать любую статическую нагрузку, если она создаёт напряжения меньшие по величине, чем временное сопротивление. При нагрузке, соответствующей временному сопротивлению (или даже превышающей её — в реальных и квазистатических испытаниях) разрушение материала (разделение образца на несколько частей) произойдёт через какой-то конечный промежуток времени, возможно, что и практически сразу.

В случае динамических испытаний время нагружения образцов часто не превышает нескольких секунд от начала нагружения до момента разрушения, в таком случае соответствующая характеристика называется также условно-мгновенным пределом прочности, или хрупко-кратковременным пределом прочности.

Мерами измерения прочности также могут являться предел текучести, предел пропорциональности, предел упругости, предел выносливости и др, так как для выхода конкретной детали из строя часто достаточно и слишком большого (больше допустимого) изменения размеров детали, а при этом может и не произойти нарушение целостности, лишь только деформация. Эти показатели практически никогда не подразумеваются под термином предел прочности.

Значения предельных напряжений на растяжение и на сжатие обычно различаются.

Для композитов предел прочности на растяжение обычно больше предела прочности на сжатие, для керамических (и других хрупких) материалов — наоборот, металлы, сплавы и многие пластики как правило показывают одинаковые свойства.

В большей степени эти явления связаны не с какими-то физическими свойствами материалов, а с особенностями нагружения, схемы напряженного состояния при испытаниях и с возможностью пластической деформации перед разрушением.

Некоторые значения прочности на растяжение, , в кгс/мм2 (1 кгс/мм2 = 10 МН/м2 = 10 МПа)

См. также

• Теоретический предел прочности
• Предел длительной прочности

Ссылки

Предел прочности материала при растяжении — формула, характеристики и расчеты — Помощник для школьников Спринт-Олимпик.ру

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

Значение термина

Предел прочности материала при растяжении сокращённо обозначается ПП. Также допускается использовать выражение «временное сопротивление». Для обозначения предела прочности применяют буквы R или σ В (сигма). Единица измерения — мегапаскаль (МПа).

Показатель означает допустимую величину силы, которая может воздействовать на объект до того, как он начнёт разрушаться. Речь идёт о механическом воздействии, но следует учитывать, что химические факторы способны изменить первоначальные свойства материала, в том числе повлиять на ПП.

К немеханическим нагрузкам относят следующие:

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

Формула предела прочности при растяжении записывается так: R=0,64 (P/F), где F — площадь поверхности раскола предмета, а P — разрушающая нагрузка.

При проектировании нельзя опираться на крайние значения, поэтому инженеры оставляют допуски на различные факторы, а также на период эксплуатации.

Это значит, что при строительстве используется материал, у которого ПП превышает расчётное напряжение.

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

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

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

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

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

Классификация параметра

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

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

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

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

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

Временное сопротивление и усталость

Между ПП и временным сопротивлением различным нагрузкам есть прямая связь. Второй показатель в документации и технической литературе обозначают символом Т.

Он показывает, сколько длится деформация образца, когда на него воздействует постоянная нагрузка. Когда временное сопротивление прекращается, кристаллическая решётка вещества перестраивается. Это характерно для твёрдых материалов.

В результате вещество становится более прочным, чем было до этого. Это явление называется самоупрочнением.

Ещё одна важная характеристика — усталость металла. Говоря о стали, применяют выражение «предел выносливости». Для обозначения используют символ R.

Эта характеристика показывает, воздействие какой силы материал может переносить постоянно, а не разово. Во время эксперимента на образец оказывают давление заданной силы. Число воздействий составляет 107.

За время испытаний материал не должен деформироваться или утратить исходные характеристики.

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

Пределом пропорциональности называют максимальную нагрузку, при которой сохраняется соотношение, определяемое законом Гука. Согласно ему, тело деформируется прямо пропорционально величине оказываемого на него воздействия.

Каждый материал обладает определённой степенью упругости. Она может быть классической и абсолютной. Изменения могут быть обратимыми и необратимыми.

Пример первого типа — пружина: пока на неё воздействуют, она сжимается, а когда нажатие прекращается, расправляется.

Определение характеристик

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

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

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

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

Удельная прочность — величина, производная от предельной. Её получают путём деления исходного показателя на плотность материала.

Практическая ценность расчёта состоит в том, что знание характеристики позволяет применять материал для различных целей, а не просто располагать данными о ПП.

Показатель меняется в зависимости от объёма, толщины и веса изделия. Пример: тонкий лист легче деформировать, чем толстый.

Предел прочности и пластичность тесно связаны. Чем меньше второй параметр, тем быстрее разрушается образец. Материалы, у которых высокая пластичность, лучше поддаются обработке, они пригодны для изготовления деталей путём штамповки.

Пример: элементы кузова штампуют из листов стали. Если у сплава невысокая пластичность, он относится к хрупким, хотя может быть иметь отличные показатели твёрдости. Одно из таких веществ — титан.

Он плохо изгибается и тянется, но по твёрдости превосходит многие другие сплавы.

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

ПредыдущаяСледующая