Границя міцності матеріалу при розтягуванні

Границя міцності матеріалу при розтягуванні



Використання матеріалів в будівництві неможливо без урахування їх характеристик. Одна з найважливіших – межа міцності при розтягуванні. Якщо не брати до уваги цей показник, зведена будівля зруйнується, оскільки конструктивні елементи не зможуть витримати навантаження.

Знати про властивість будматеріалу недостатньо, потрібно вміти застосовувати його на практиці.

Випробовування зразка на міцність при стисканні
Випробовування зразка на міцність при стисканні

Значення терміна

Границя міцності матеріалу при розтягуванні скорочено позначається ГМ. Також допускається використовувати вираз “тимчасовий опір”. Для позначення границі міцності застосовують букви R або σ в (сигма). Одиниця виміру – мегапаскаль (МПа).

Показник означає допустиму величину сили, яка може впливати на об’єкт до того, як він почне руйнуватися. Йдеться про механічний вплив, але слід враховувати, що хімічні фактори здатні змінити початкові властивості матеріалу, в тому числі вплинути на границю міцності. До немеханічних навантажень відносять такі:

  • нагрівання;
  • охолодження;
  • погодні умови (вітер, опади, вологість);
  • агресивне середовище.

Формула границі міцності при розтягуванні записується так:

R=0,64 (P/F)

де

  • F — площа поверхні розколу предмета;
  • P — руйнівне навантаження.

При проєктуванны не можна спиратися на крайні значення, тому інженери залишають допуски на різні фактори, а також на період експлуатації. Це означає, що при будівництві використовується матеріал, у якого ГМ перевищує розрахункову напругу.

Спочатку здатність елемента витримувати навантаження визначали дослідним шляхом. Матеріал використовували, не знаючи, як він себе поведе під час експлуатації, а після поломки замінювали більш міцним. З часом перейшли до експериментів і випробувань, і, як і раніше, найточніший спосіб знайти границю міцності при натягу і розриві залишається емпіричний.

Дослідження проводять в лабораторних умовах з використанням точної техніки. Прилади фіксують характеристики матеріалу і те, як вони змінюються під навантаженням різної величини. Як правило, міцність вимірюється так: предмет жорстко закріплюють і створюють на нього вплив.

Спочатку закріплений елемент розтягують. Він стає довшим, при цьому в одному місці утворюється перешийок, і саме тут заготівля розірветься. Так поводяться не всі матеріали, а тільки в’язкі. Чавун, сталь та інші крихкі сплави розтягуються незначно. При збільшенні навантаження вони тріскаються і руйнуються по похилих площинах. Шийки не утворюються.

Сила, що прикладається в кожен момент, вимірюється з точністю до тисячних часток ньютона. Одночасно визначають розмір і характер деформації. Дані звіряють з таблицями.

Другий спосіб визначення границі міцності – це математичний аналіз. Він полягає в тому, що міцність визначають за допомогою складних обчислень. Однак без випробувань дані, отримані розрахунковим шляхом, не можна вважати повними. Річ у тому, що на практиці речовина може поводитися по-іншому.

Оцінка міцності при різних видах деформації - формули

Класифікація параметра

Матеріал володіє тимчасовим опором у відповідь на впливи різного характеру, тому характеристику класифікують на кілька груп.

Зусилля, яким піддається заготівля або конструктивний елемент:

  • Розтягування. Виріб тягнуть за краї за допомогою спеціальної машини.
  • Кручення. Предмет поміщається в умови, при яких працює крутний вал.
  • Вигин. Заготівлю згинають і розгинають в декількох напрямках.
  • Стиснення. На матеріал тиснуть поперемінно з різних сторін.

У одного і того ж матеріалу гранична міцність може відрізнятися. Як приклад можна привести сталь. Вона використовується частіше, ніж інші сплави, тому що сталеві конструкції показали себе як найбільш міцні, довговічні і стійкі до несприятливих факторів. При цьому вони надійні і не виділяють в атмосферу шкідливих речовин.

Існує кілька марок сталі. Вони виробляються за різними технологіями, і в залежності від цього розрізняються характеристики заготовок і конструкцій. У звичайних марок ГМ становить 300 МПа. У міру збільшення вмісту вуглецю міцність збільшується. Найтвердіші марки мають показник 900 МПа.

Фактори, від яких залежать характеристики міцності:

  • кількість корисних і небажаних домішок;
  • спосіб термічної обробки (кріообробка, гарт, відпал).
Розривна машина для випробувань зразків на розтягування
Розривна машина для випробувань зразків на розтягування

Тимчасовий опір і втома

Між граничною міцністю і тимчасовим опором різним навантаженням є прямий зв’язок. Другий показник в документації та технічній літературі позначають символом Т. Він показує, скільки триває деформація зразка, коли на нього впливає постійне навантаження.

Коли тимчасовий опір припиняється, кристалічна решітка речовини перебудовується. Це характерно для твердих матеріалів. В результаті речовина стає більш міцною, ніж була до цього. Це явище називається самозміцнення.

Ще одна важлива характеристика – втома металу. Говорячи про сталь, застосовують вираз “границя витривалості”. Для позначення використовують символ R. Ця характеристика показує, вплив якої сили матеріал може переносити постійно, а не разово.

Під час експерименту на зразок матеріалу чинять тиск заданої сили. Число впливів становить 107. За час випробувань матеріал не повинен деформуватися або втратити вихідні характеристики.

На проведення таких експериментів йде багато часу, тому їх проводять не завжди. Часто обходяться математичними обчисленнями, розраховуючи всі важливі коефіцієнти.

Межею пропорційності називають максимальне навантаження, при якому зберігається співвідношення, яке визначається законом Гука. Згідно з ним, тіло деформується прямо пропорційно величині впливу, що чиниться на нього.

Кожен матеріал має певний ступінь пружності. Вона може бути класичною і абсолютною. Зміни можуть бути зворотними і незворотними. Приклад першого типу – пружина: поки на неї впливають, вона стискається, а коли натискання припиняється, пружина розправляється.

Діаграма розтягання металевого зразка
Діаграма розтягання металевого зразка

Визначення характеристик граничної міцності

Матеріали характеризуються не тільки границею міцності, а й іншими характеристиками. У випадку зі сталлю – це твердість і здатність сприймати ударні навантаження.

Випробування проводять наступним чином: в заготовку вдавлюють алмазний конус або кулю.

Алмаз – еталон твердості.

Розмір сліду залежить від того, наскільки міцний випробуваний зразок. Чим від м’якше, тим більше відбиток, і навпаки.

Міцність на удар розраховують так: на зразку роблять зріз, потім вдаряють. Результати показують характеристику для найбільш вразливої ділянки. Інші механічні властивості, для яких отримують дані емпіричним шляхом:

  • Пластичність. Вона показує, до якої міри зразок може змінювати форму, зберігаючи вихідну структуру.
  • Втома. Ця категорія показує, як довго матеріал не втрачає властивості, відчуваючи тривалі навантаження.
  • Ударна в’язкість. Характеристика означає, в якій мірі речовина здатна чинити опір ударному впливу.

По міцності речовини діляться на класи. Вони розрізняються за однією або кількома характеристиками. Так, для двох класів показники ГМ можуть бути однаковими, а значення відносного подовження або текучості — різними.

Питома міцність – величина, похідна від граничної. Її отримують шляхом ділення вихідного показника на густину матеріалу. Практична цінність розрахунку полягає в тому, що знання характеристики граничної міцності дозволяє застосовувати матеріал для різних цілей, а не просто мати дані про ГМ. Показник змінюється в залежності від об’єму, товщини і ваги виробу. Приклад: тонкий лист легше деформувати, ніж товстий.

Межа міцності і пластичність тісно пов’язані. Чим менше другий параметр, тим швидше руйнується зразок. Матеріали, у яких висока пластичність, краще піддаються обробці, вони придатні для виготовлення деталей шляхом штампування.

Приклад: елементи кузова штампують з листів сталі. Якщо у сплаву невисока пластичність, він відноситься до крихких, хоча він може мати відмінні показники твердості. Одна з таких речовин – титан. Він погано згинається і тягнеться, але по твердості перевершує більшість інших сплавів.

Для поліпшення міцності у матеріали вводять добавки. Інший спосіб – термообробка.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *