Что называют пределом текучести и пределом прочности

Деформация: виды деформации, пределы упругости и прочности

Частицы, из которых состоят твердые тела (как аморфные, так и кристаллические) постоянно совершают тепловые колебания около положений равновесия. В таких положениях энергия их взаимодействия минимальная. Если расстояние между частицами уменьшается, начинают действовать силы отталкивания, а если увеличиваться – то силы притяжения. Именно этими двумя силами обусловлены все механические свойства, которыми обладают твердые тела.

Если твердое тело изменяется под воздействием внешних сил, то частицы, из которых оно состоит, меняют свое внутреннее положение. Такое изменение называется деформацией.

Виды деформации

Различают деформации нескольких видов. На изображении показаны некоторые из них.

Если мы разделим величину абсолютного удлинения на первоначальную длину твердого тела, мы получим величину его относительного удлинения (относительной деформации).

Обозначим этот показатель ε и запишем следующую формулу:

Относительная деформация тела растет при его растяжении и соответственно уменьшается при сжатии.

Если учесть, в каком именно направлении внешняя сила действует на тело, то мы можем записать, что F будет больше нуля при растяжении и меньше нуля при сжатии.

Механическое напряжение

Механическое напряжение твердого тела σ – это показатель, равный отношению модуля внешней силы к площади сечения твердого тела.

Величину механического напряжения принято выражать в паскалях ( П а ) и измерять в единицах давления.

Деформация, исчезающая при снятии напряжения, называется упругой.

На данном участке будет выполняться закон Гука:

Предел упругости

Предел упругости – максимальное напряжение, после снятия которого тело восстановит свою форму и размер.

После перехода этого предела восстановления первоначальных параметров тела уже не происходит. Когда мы снимаем напряжение, у тела остается так называемая остаточная (пластическая) деформация.

Предел прочности

Предел прочности – максимальное напряжение, которое способно выдержать твердое тело, не разрушаясь.

В точке e материал разрушается.

Если диаграмма напряжения материала имеет вид, соответствующий тому, что показан на графике, то такой материал называется пластичным. У них обычно деформация, при которой происходит разрушение, заметно больше области упругих деформаций. К пластичным материалам относится большинство металлов.

Если материал разрушается при деформации, которая превосходит область упругих деформаций незначительно, то он называется хрупким. Такими материалами считаются чугун, фарфор, стекло и др.

От значения модуля всестороннего сжатия зависит скорость, с которой звук распространяется в данном веществе.

Источник

Предел текучести стали

Разные материалы по-разному реагируют на приложенную к ним внешнюю силу, вызывающую изменение их формы и линейных размеров. Такое изменение называют пластической деформация. Если тело после прекращения воздействия самостоятельно восстанавливает первоначальную форму и линейные размеры — такая деформация называется упругой. Упругость, вязкость, прочность и твердость являются основными механическими характеристиками твердых и аморфных тел и обуславливают изменения, происходящие с физическим телом при деформации под действием внешнего усилия и ее предельном случае — разрушении. Предел текучести материала — это значение напряжения (или силы на единицу площади сечения), при котором начинается пластическая деформация.

Текучесть металла

Знание механических свойств материала чрезвычайно важно для конструктора, который использует их в своей работе. Он определяет максимальную нагрузку на ту или иную деталь или конструкцию в целом, при превышении которой начнется пластическая деформация, и конструкция потеряет с вою прочность, форму и может быть разрушена. Разрушение или серьезная деформация строительных конструкций или элементов транспортных систем может привести к масштабным разрушениям, материальным потерям и даже к человеческим жертвам.

Предел текучести — это максимальная нагрузка, которую можно приложить к конструкции без ее деформации и последующего разрушения. Чем выше его значения, тем большие нагрузки конструкция сможет выдержать.

На практике предел текучести металла определяет работоспособность самого материала и изделий, изготовленных из него, под предельными нагрузками. Люди всегда прогнозировали предельные нагрузки, которые могут выдержать возводимые ими строения или создаваемые механизмы. На ранних этапах развития индустрии это определялось опытным путем, и лишь в XIX веке было положено начало созданию теории сопротивления материалов. Вопрос надежности решался созданием многократного запаса по прочности, что вело к утяжелению и удорожанию конструкций. Сегодня необязательно создавать макет изделия определенного масштаба или в натуральную величину и проводить на нем опыты по разрушению под нагрузкой — компьютерные программы семейства CAE (инженерных расчетов) могут с точностью рассчитать прочностные параметры готового изделия и предсказать предельные значения нагрузок.

Величина предела текучести материала

С развитием атомной физики в XX веке появилась возможность рассчитать значение параметра теоретическим путем. Эту работы первым проделал Яков Френкель в 1924 году. Исходя из прочности межатомных связей, он путем сложных для того времени вычислений определил величину напряжения, достаточного для начала пластической деформации тел простой формы. Величина предела текучести материала будет равна

Расчет величины предела текучести

Гениальное допущение, сделанное Френкелем при расчетах, заключалось в том, что процесс изменения формы материала рассматривался как приводимый в действие напряжениями сдвига. Для начала пластической деформации полагалось достаточным, чтобы одна половина тела сдвинулась относительно другой до такой степени, чтобы не смогла вернуться в начальное положение под действием сил упругости.

График физического предела текучести

Френкель предположил, что испытываемый в мысленном эксперименте материал имеет кристаллическое или поликристаллическое строение, свойственно для большей части металлов, керамики и многих полимеров. Такое строение предполагает наличие пространственной решетки, в узлах которой в строго определенном порядке расположены атомы. Конфигурация этой решетки строго индивидуальны для каждого вещества, индивидуальны и межатомные расстояния и связывающие эти атомы силы. Таким образом, чтобы вызвать пластическую деформацию сдвига, потребуется разорвать все межатомные связи, проходящие через условную плоскость, разделяющую половины тела.

При некотором значении напряжения, равному пределу текучести, связи между атомами из разных половин тела разорвутся, и рады атомов сместятся друг относительно друга на одно межатомное расстояние без возможности вернуться в исходное положение. При продолжении воздействия такой микросдвиг будет продолжаться, пока все атомы одной половины тела не потеряют контакт с атомами другой половины

В макромире это вызовет пластическую деформацию, изменит форму тела и при продолжении воздействия приведет к его разрушению. На практике линия начала разрушений проходит не посередине физического тела, а находится в местах расположения неоднородностей материала.

Физический предел текучести

В теории прочности для каждого материала существует несколько значений этой важной характеристики. Физический предел текучести соответствует значению напряжения, при котором, не смотря на деформацию, удельная нагрузка не меняется вовсе или меняется несущественно. Иными словами, это значение напряжения, при котором физическое тело деформируется, «течет», без увеличения прилагаемого к образцу усилия

Условный предел текучести

Большое число металлов и сплавов при испытаниях на разрыв демонстрируют диаграмму текучести с отсутствующей или слабо выраженной «площадкой текучести». Для таких материалов говорят о условном пределе текучести. Его трактуют как напряжение, при котором происходит деформация в переделах 0,2%.

Условный предел текучести

К таким материалам относятся легированные и высокоуглеродистые стальные сплавы, бронза, дюралюминий и многие другие. Чем более пластичным является материал, тем выше для него показатель остаточных деформаций. Примером пластичных материалов могут служить медь, латунь, чистый алюминий и большинство низкоуглеродистых стальных сплавов.

Предел текучести стали

Сталь, как самый популярный массовый конструкционный материал, находится под особо пристальным вниманием специалистов по расчету прочности конструкций и предельно допустимых нагрузок на них.

Стальные сооружения в ходе их эксплуатации подвергаются большим по величине и сложным по форме комбинированным нагрузкам на растяжение, сжатие, изгиб и сдвиг. Нагрузки могут быть динамическими, статическими и периодическими. Несмотря на сложнейшие условия использования, конструктор должен обеспечить у проектируемых им конструкций и механизмов долговечность, безотказность и высокую степень безопасности как для персонала, таки для окружающего населения.

Предел текучести стали

Поэтому к стали и предъявляются повышенные требования по механическим свойствам. С точки зрения экономической эффективности, предприятие стремится снизить сечение и другие размеры производимой им продукции, чтобы снизить материалоемкость и вес и повысить, таким образом, эксплуатационные характеристики. На практике это требование должно быть сбалансировано с требования ми по безопасности и надежности, зафиксированными в стандартах и технических условиях.

Предел текучести для стали является ключевым параметрам в этих расчетах, поскольку он характеризует способность конструкции выдерживать напряжения без необратимых деформаций и разрушения.

Влияние содержание углерода на свойства сталей

Согласно физико-химическому принципу аддитивности, изменение физических свойств материалов определяется процентным содержанием углерода. Повышение его доли до 1,2% дает возможности увеличить прочность, твердость, предел текучести и пороговую хладоемкость сплава. Дальнейшее повышение доли углерода приводит к заметному снижению таких технических показателей, как способность к свариваемости и предельная деформация при штамповочных работах. Стали с низким содержанием углерода демонстрируют наилучшую свариваемость.

Азот и кислород в сплаве

Эти неметаллы из начала таблицы Менделеева являются вредными примесями и снижают механические и физические характеристики стали, такие, например, как порог вязкости, пластичность и хрупкость. Если кислород содержится в количестве свыше 0,03%- это ведет к ускорению старения сплава, а азот увеличивает ломкость материала. С другой стороны, содержание азота повышает прочность, снижая предел текучести.

Микроструктура сплава, в составе которого присутствуют азот и кислород

Добавки марганца и кремния

Легирующая добавка в виде марганца применяется для раскисления сплава и компенсации отрицательного влияния вредных серосодержащих примесей. Ввиду своей близости по свойствам к железу существенного самостоятельного влияния на свойства сплава марганец не оказывает. Типовое содержание марганца – около 0,8%.

Кремний оказывает похожее воздействие, его добавляют в процессе раскисления в объемной доле, не превышающей 0,4%. Поскольку кремний существенно ухудшает такой технический показатель, как свариваемость стали. Для конструкционных сталей, предназначенных для соединения сваркой, его доля не должна превышать 0,25%. На свойства стальных сплавов кремний влияния не оказывает.

Примеси серы и фосфора

Сера является исключительно вредной примесью и отрицательно воздействует на многие физические свойства и технические характеристики.

Предельно допустимое содержание этого элемента в виде хрупких сульфитов– 0,06%

Сера ухудшает пластичность, предел текучести, ударную вязкость, износостойкость и коррозионную стойкость материалов.

Фосфор оказывает двоякое воздействие на физико-механические свойства сталей. С одной стороны, с повышением его содержания повышается предел текучести, однако с другой стороны, одновременно понижаются вязкость и текучесть. Обычно содержание фосфора находится в пределах от 0,025 до 0,044%. Особенно сильное отрицательное влияние фосфор оказывает при одновременном повышении объемных долей углерода.

Легирующие добавки в составе сплавов

Легирующими добавками называют вещества, намеренно введенные в состав сплав для целенаправленного изменения его свойств до нужных показателей. Такие сплавы называют легированными сталями. Лучших показателей можно добиться, добавляя одновременно несколько присадок в определенных пропорциях.

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Распространенными присадками являются никель, ванадий, хром, молибден и другие. С помощью легирующих присадок улучшают значение предела текучести, прочности, вязкости, коррозионной стойкости и многих других физико-механических и химических параметров и свойств.

Текучесть расплава металла

Текучестью расплава металла называют его свойство полностью заполнять литейную форму, проникая в малейшие полости и детали рельефа. От этого зависит точность отливки и качество ее поверхности.

Жидкий металл для процессоров

Свойство можно усилить, если поместить расплав под избыточное давление. Это физическое явление используется в установках литья под давлением. Такой метод позволяет существенно повысить производительность процесса литья, улучшить качество поверхности и однородность отливок.

Испытание образца для определения предела текучести

Чтобы провести стандартные испытания, используют цилиндрический образец диаметром 20 мм и высотой 10 мм, закрепляют его в испытательной установке и подвергают растягиванию. Расстояние между нанесенными на боковой поверхности образца метками называют расчетной длиной. В ходе измерений фиксируют зависимость относительного удлинения образца от величины растягивающего усилия.

Зависимость отображают в виде диаграммы условного растяжения. На первом этапе эксперимента рост силы вызывает пропорциональное увеличение длины образца. По достижении предела пропорциональности диаграмма из линейной превращается в криволинейную, теряется линейная зависимость между силой и удлинением. На этом участке диаграммы образец при снятии усилия еще может вернуться к исходным форме и габаритам.

Для большинства материалов значения предела пропорциональности и предела текучести настолько близки, что в практических применениях разницу между ними не учитывают.

Источник

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.

Источник

Предел прочности и предел текучести

Диаграмма зависимости напряжения от деформации показана на рис. 1. По этой диаграмме можно получить основные параметры прочности материала на растяжение.

– Модуль Юнга E равен наклону начального участка диаграммы. Он также равен наклону прямой, вдоль которой происходит упругое восстановление из любой точки диаграммы.

Эти параметры составляют основные характеристики материала для проектирования любых конструкций и функций. Можно видеть, что диаграмма «напряжение-деформация» является основной отличительной характеристикой типа материалов. Упругий, а затем совершенно пластичный материал будет упруго деформироваться до предела пластической деформации, а затем продолжит деформироваться при постоянном напряжении, пока не произойдет его разрушение в точке предела прочности (точке разрушения). Поэтому предел пластической деформации также является пределом прочности. У совершенно упругого хрупкого материала нет предела упругости, он изменяется по прямой (наклон которой равен модулю Юнга) вплоть до разрушения с разрывом. Деформационно-упрочняемый материал деформируется, но способен выдерживать растущие напряжения вплоть до своего предела прочности и до максимального напряжения в точке разрушения.

В течение многих лет механические свойства материалов определялись классическими методами испытаний в основе которых лежит принцип внешнего воздействия на исследуемый образец и доведение его до частичного или полного разрушения. Конкретный метод улучшался и развивался с течением времени, но общий принцип не изменяется столетиями. Классические испытания на растяжение — это традиционно выбираемый разрушающий метод определения предела пластической деформации и соответствующего ей участка диаграммы «напряжение-деформация». Однако все разрушающие методы имеют ряд существенных недостатков. Основным, из которых является то, что испытание является разрушающим, а усреднение вносит погрешности из-за неоднородности свойств по объему конструкции, следовательно, отсутствует возможность применения данного метода на действующих объектах, натурных конструкциях и деталях.

Источник

Свойства, определяемые испытанием на растяжение, и факторы, на них влияющие

1. Предел прочности

Пределом прочности называют максимальное усилие растяжения, отнесенное к единице площади его первоначального сечения

Другими словами, предел прочности есть условное максимальное напряжение, которое выдерживает материал при растяжении. Под «истинным пределом прочности»(или под действительным сопротивлением разрыву) понимается усилие в момент разрыва P, отнесенное к площади сечения.

2. Предел пропорциональности и упругости

3. Предел текучести

Пределом текучести σ_Т называется напряжение, при котором возникающая остаточная деформация образца распространяется равномерно по его рабочей части при временном постоянстве растягивающего усилия.

В некоторых случаях площадка текучести бывает неясно выражена (кривая б) или совершенно отсутствует (кривая в); такую форму кривых при нормальной температуре испытания имеют весьма пластичные металлы (например, медь). С повышением же температуре явным пределом текучести, форма кривой имеет вид, показанный на рисунке, в. Мягкая углеродистая сталь с содержанием 0,05% при 300°С дает кривую, соответствующую кривой б; другие, более теплоустойчивые стали сохраняют явный предел текучести до 400 и даже до 500°С; выше этих температур форма кривых растяжения аналогична кривой в.

Во всех случаях, когда отсутствует явный предел текучести, приходится прибегать к нахождению так называемых условных пределов текучести, основанных на определении напряжений, вызывающих заданную остаточную деформацию небольшой величины (в пределах 0,01—0,5%). Чаще всего на практике определяют условные пределы текучести, вызывающие остаточную деформацию, равную 0,1 или 0,2%.

Условные пределы текучести некоторых легированных сталей

Если условные пределы текучести при нормальной температуре мало различаются между собой, то при высоких температурах разница между условными пределами текучести, например 0,01 и 0,2% (после текучести), становится значительной.

4. Удлинение и поперечное сужение образца

Удлинение и поперечное сужение образца, испытанного при высокой температуре, являются показателями пластических свойств металла при данной температуре.

Удлинение δ и поперечное сужение ψ замеряются на охлажденных образцах и подсчитываются по общеизвестным формулам:

Наибольшее влияние на эти свойства оказывает время до разрыва или, что то же самое, скорость растяжения образца.

5. Модуль упругости

Модуль нормальной упругости E является важной физико-механической характеристикой металла. Знание величины модуля упругости стали для широкого диапазона температур необходимо не только при конструкторских расчетах деталей машин и аппаратуры, работающих при повышенных температурах, но и в ряде других случаев.

Относительное изменение модуля упругости E (в % от его значения при 20°) в зависимости от температуры для сталей: 1-нелегированной; 2-низколегированной; 3-среднелегированной; 4-высоколегированной

Источник