Пределом текучести называют механическую характеристику материала, характеризующую напряжение, при котором деформации продолжают расти без увеличения нагрузки.
Обозначение σт
Единица измерения – Паскаль [Па] либо кратные [МПа].
На диаграмме напряжений (рис. 1) предел текучести стали 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.
Условный предел текучести
В случаях, когда на диаграмме напряжений нет выраженной площадки текучести, определяют так называемый условный предел текучести σ0,2. 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.
Предел прочности >
Предел пропорциональности >
Сохранить или поделиться с друзьями
Вы находитесь тут:
На нашем сайте Вы можете получить решение задач и онлайн помощь
Подробнее
Решение задач и лекции по технической механике, теормеху и сопромату
Если охарактеризовать понятие предела текучести кратко, то в сопротивлении материалов пределом текучести
называют напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация. Предел текучести относится к характеристикам прочности.
Согласно [1], текучесть
— это макропластическая деформация с весьма малым
упрочнением
dτ/dγ.
Физический предел текучести
— это механическая характеристика материалов: напряжение, отвечающее нижнему положению
площадки текучести
в
диаграмме растяжения
для материалов, имеющих эту площадку (рисунок),
σ
Т=
P
Т/
F
0. Здесь
P
Т — это нагрузка предела текучести, а
F
0 — это первоначальная площадь поперечного сечения образца.
Предел текучести
устанавливает границу между упругой и упруго-пластической зонами деформирования. Даже небольшое увеличение напряжения (нагрузки) выше
предела текучести
вызывает значительные деформации. [2]
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.
Текучесть металла
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.
Физическая характеристика
Пределы текучести относятся к показателям прочности. Они представляют собой макропластическую деформацию с довольно малым упрочнением. Физически этот параметр можно представить как характеристику материала, а именно: напряжение, которое отвечает нижнему значению площадки текучести в графике (диаграмме) растяжения материалов. Это же можно представить в виде формулы: σТ=PТ/F0, где PТ означает нагрузку предела текучести, а F0 соответствует первоначальной площади поперечного сечения рассматриваемого образца. ПТ устанавливает так называемую границу между упруго-пластической и упругой зонами деформирования материала. Даже незначительное увеличение напряжения (выше ПТ) вызовет существенную деформацию. Пределы текучести металлов принято измерять в кг/мм2 либо Н/м2. На величину данного параметра оказывают влияние разные факторы, например, режим термообработки, толщина образца, наличие легирующих элементов и примесей, тип, микроструктура и дефекты кристаллической решетки и прочее. Предел текучести значительно меняется при изменении температуры. Рассмотрим пример практического значения данного параметра.
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
ττ=G/2π. , где G — модуль сдвига, как раз и определяющий устойчивость связей между атомами.
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.
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.
Основное определение
В процессе использования на любое сооружение приходятся разные нагрузки в виде сжатий, растяжений или ударов. Они могут действовать как обособленно, так и совместно.
Современные конструкторы стремятся уменьшить массу стальных деталей для экономии материала, но при этом не допустить критичного снижения несущей способности всей конструкции. Происходит это засчет уменьшения сечения стальных арматур.
В зависимости от назначения объектов, могут меняться некоторые требования к стали, но имеется перечень стандартных и важных показателей. Их величины рассчитывают на этапе проектирования деталей и узлов будущего сооружения. Заготовка должна обладать высокой прочностью при соответствующей пластичности.
В первую очередь при расчетах прочности изделия из стали обращают внимание на предел текучести. Это значение характеризующее поведение деталей при воздействиях на них.
Предел текучести материала — это величина критического напряжения, при которой материал продолжает самостоятельную деформацию без увеличения нагрузки. Эта характеристика измеряется в Паскалях и позволяет рассчитывать максимально возможное напряжение для пластичной стали.
После прохождения этого предела в материале происходят невосстановимые процессы искажения кристаллической решетки. При последующем увеличении силы воздействия на заготовку и преодолении площадки текучести, деформация увеличивается.
Предел текучести иногда путают с пределом упругости. Это похожие понятия, но предел упругости — это величина максимального сопротивления металла и она чуть ниже предела текучести.
Величина текучести примерно на пять процентов превышает предел упругости.
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.
Что представляет собой ПТ для арматуры?
Эти изделия являются неотъемлемой составной частью железобетона, предназначаемые, как правило, для сопротивления растягивающим усилиям. Обычно используют стальную арматуру, но бывают и исключения. Эти изделия должны работать совместно с массой бетона на всех без исключения стадиях загрузки данной конструкции, обладать пластичными и прочными свойствами. А также отвечать всем условиям индустриализации данных видов работ. Механические свойства стали, используемой при изготовлении арматуры, установлены соответствующим ГОСТом и техническими условиями. ГОСТ 5781-61 предусматривает четыре класса данных изделий. Первые три предназначены для обычных конструкций, а также ненапрягаемых стержней у предварительно напряженных системах. Предел текучести арматуры в зависимости от класса изделия может достигать 6000 кг/см2. Так, у первого класса этот параметр составляет примерно 500 кг/см2, у второго – 3000 кг/см2, у третьего 4000 кг/см2, а у четвертого – 6000 кг/см2.
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.
Механические свойства металлов, сталей и сплавов. Пластичность.
Пластичность – способность материала к пластической деформации, то есть способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности. Это свойство используют при обработке металлов давлением.
- относительное удлинение:
lо и lк – начальная и конечная длина образца;
Δlост – абсолютное удлинение образца, определяется измерением образца после разрыва.
Fо – начальная площадь поперечного сечения;
Fк – площадь поперечного сечения в шейке после разрыва.
Относительное сужение более точно характеризует пластичность и служит технологической характеристикой при листовой штамповке.
Пластичные материалы более надежны в работе, так как для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения.
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
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.
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.
Усталость стали
Второе название – предел выносливости. Его обозначают буквой R. Это аналогичный показатель, то есть он определяет, какая сила может воздействовать на элемент, но не в единичном случае, а в цикле. То есть на подопытный эталон циклично, раз за разом действуют определенные давления. Среднее количество повторений – 10 в седьмой степени. Именно столько раз металл должен без деформаций и потери своих характеристик выдержать воздействие.
Если проводить эмпирические испытания, то потребуется множество времени – нужно проверить все значения силы, прикладывая ее по множеству циклов. Поэтому обычно коэффициент рассчитывается математически.
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.
Как проводятся испытания на производствах
Для проведения испытаний, целью которых является определение текучести материала, берут цилиндрическую заготовку диаметром 20 мм и длиной более 10 мм. На детали делают насечки для получения отрезка длиной 10 мм. Сама заготовка должна быть больше этой длины для того, чтобы ее можно было захватить с двух сторон.
Деталь зажимают в тиски и начинают растягивать, постепенно увеличивая силу растяжения. В процессе произведения нагрузки производят замеры растущего удлинения образца. Полученные данные заносят в график, называемый диаграммой условного растяжения.
Если на заготовку оказывается небольшая нагрузка, она растягивается в обе стороны пропорционально. По мере увеличения силы растяжения достигается предел пропорциональности, после чего деталь растягивается неравномерно. Предел текучести стали определяется в тот момент, когда материал уже не может вернуться к первоначальной длине.
Существуют Государственные Стандарты и Технические Условия, в которых значения предела текучести разделены на четыре класса:
- 1 класс – до 500 кг/см2;
- 2 класс – до 3000 кг/см2;
- 3 класс – до 4000 кг/см2;
- 4 класс – до 6000 кг/см2.
Определение пластичности
Показатель пластичности является не менее важным параметром, который обязательно учитывается в процессе проектирования конструкций. Он определяется двумя параметрами:
- остаточным удлинением;
- сужением при разрыве.
Чтобы рассчитать остаточное удлинение, производят замер двух частей детали после разрыва. Длину каждой части складывают, а затем определяют процентное соотношение к первоначальной длине. У более прочных металлических сплавов этот показатель меньше.
Определение хрупкости
Хрупкость – это свойство, противоположное пластичности. Показатель хрупкости зависит от множества факторов. К ним относятся:
- температура воздуха (при низких температурах хрупкость материала увеличивается);
- увеличение скорости оказываемой нагрузки;
- влажность воздуха и пр.
Изменение этих условий приводит к изменению показателя хрупкости. К примеру, чугун – хрупкий материал. Но если чугунную деталь зажать со всех сторон, она способна перенести значительные нагрузки. А стальной прут с насечками становится невероятно хрупким.
Определение прочности
Прочность – это характеристика металла, определяющая его способность выдерживать нагрузки, не разрушаясь полностью. Для испытаний берут деталь и создают для нее условия, максимально приближенные к эксплуатационным, путем постепенного увеличения нагрузок.
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 ττ=G/2π. , где G — модуль сдвига, как раз и определяющий устойчивость связей между атомами.
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. 
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%. 
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. 
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. 
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. 
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. 
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
Тема: «Механические
свойства материалов»
Вопросы:
1. Диаграмма
растяжения малоуглеродистой стали.
Условный предел текучести
2. Характеристики
пластичности
3. Диаграмма
растяжения хрупких материалов
1. Диаграмма
растяжения малоуглеродистой стали
Для определения
механических свойств материалов проводят
механические испытания образцов, форма
и размеры которых устанавливаются
стандартами (ГОСТами). Наиболее
распространенными являются испытания
на растяжение, так как они легко
осуществимы и дают важнейшие характеристики
материала.
Разрывные
испытательные машины рисуют графики
(диаграммы) зависимости между усилием
F
и абсолютным удлинением
.
Такая диаграмма имеет один существенный
недостаток
она не позволяет сравнивать результаты
испытания образцов различной площади
сечения А. Поэтому полученную на машине
диаграмму перерисовывают в условных
осях: по оси абсцисс откладывают
относительное удлинение:
,
а по оси ординат
нормальное напряжение:
,
где l
и A0
начальная длина и площадь поперечного
сечения образца.
Для низкоуглеродистой
строительной стали марки Ст.3 (содержание
углерода не более 0.22%) диаграмма имеет
вид, представленный на рис.1.
В начальной стадии
нагружения, на участке ОА, зависимость
между
и
носит линейный характер, деформация
прямо пропорциональна напряжению, т.е.
следует закону Гука. Наибольшее
напряжение, до которого соблюдается
этот закон (точка А на диаграмме),
называется пределом пропорциональности
.
Обозначения механических характеристик
материала стандартизованы с тем, чтобы
можно было пользоваться технической
литературой без пояснений. Однако в
СССР и в странах Запада обозначения
отличались. Поэтому мы будем приводить
обозначения, которые были приняты в
СССР, (так как почти вся выпушенная
техническая литература имеет такие
обозначения), а в скобках давать
обозначения, принятые в странах Запада.
Рис. 1
Из рисунка нетрудно
видеть, что:
,
т.е. модуль продольной
упругости Е графически представляет
собой тангенс угла наклона прямолинейного
участка диаграммы к оси абсцисс.
При нагружении
образца до точки В в нем не появляется
остаточных деформаций. Если его
разгрузить, то он примет исходные
размеры. Наибольшее напряжение, до
которого в образце не возникает остаточных
деформаций называется пределом упругости
и обозначается
.
Точки А и В лежат
столь близко друг к другу, что на практике
их обычно считают совпадающими, полагая
.
К тому же следует иметь в виду, что
выявление обоих пределов представляет
немалые трудности. Даже при достаточно
точных измерениях далеко не все точки
ложатся на прямую ОА вследствии неизбежной
неоднородности материала и конструктивных
несовершенств испытательной машины.
Отчасти по этим же причинам и деформация
при разгрузке полностью не исчезает.
Поэтому опытным путем устанавливают
лишь условные, технические значения
указанных пределов.
После точки В
продолжается дальнейшее искривление
диаграммы и в точке С она переходит в
горизонтальный участок
площадку текучести. Стрелка
силоизмерительного аппарата машины
останавливается, т.е. образец удлиняется
при постоянной нагрузке. Соответствующее
напряжение называют пределом текучести
.
Он является одной из основных характеристик
материала. Для стали Ст. 3
=215—255
МПа в
зависимости от способа раскисления
(кипящая, полуспокойная, спокойная),
вида поката (листовой, фасонный) и его
толщины.
Ряд материалов
при растяжении дает диаграмму без
выраженной площадки текучести (см.
рис. 2.). Для них устанавливается так
называемый условный предел текучести
.
За него принято напряжение, при котором
остаточная деформация составляет 0,2%.
Для его нахождения на оси абсцисс
откладывают 0,2% и проводят прямую ВС,
параллельную участку ОА до пересечения
с диаграммой.
Рис. 2
Точку пересечения
сносят на ось ординат. Это и будет
условный предел текучести
.
Площадка текучести отсутствует для
сталей с содержанием углерода менее
0,1% и более 0,3%, а также в алюминиевых
сплавах, бронзе и некоторых других
материалах.
Как показывают
исследования образцов из сталей,
текучесть сопровождается значительными
взаимными сдвигами кристаллов, в
результате чего на поверхности образца
появляются линии (так называемые линии
Людерса-Чернова), наклоненные к оси
образца под углом 45° (см. рис. 3,а.).
Рис. 3
После прекращения
текучести сталь снова способна
противостоять деформированию
она как бы самоупрочняется. В стадии
самоупрочнения материал работает
упруго-пластически. Зависимость между
напряжением и деформациями подчиняется,
как на участке ДЕ (см. рис. 1.),
криволинейному закону; но с большим
нарастанием деформаций, т.е. диаграмма
имеет более пологий характер.
Точка Е диаграммы
соответствует наибольшему условному
напряжению, называемому пределом
прочности или временным сопротивлением
. Предел прочности это некоторая условная
характеристика, она не является
напряжением, при котором материал
разрушается, так как при разрушении
площадь сечения образца значительно
меньше первоначальной.
До достижения
предела прочности продольные и поперечные
деформации образца равномерно
распределяются по его длине. После
достижения точки Е диаграммы эти
деформации концентрируются в наиболее
слабом месте, где начинает образовываться
шейка
местное значительное сужение (см. рис. 3,
б), которое быстро прогрессирует.
С этого момента
продольная деформация зависит уже не
столько от длины образца, сколько от
его диаметра. Этим объясняется
необходимость иметь для нормальных
образцов определенное отношение между
длиной и диаметром для сравнимости
результатов испытаний.
С образованием
шейки (после точки Е) нагрузка падает и
в точке М происходит разрушение образца
(см. рис. 1).
При разрыве образца
образуется поперечная трещина в центре
поперечного сечения в самом узком месте
шейки, а остальное сечение скалывается
под углом в 45° к оси стержня, так что на
одной части разорванного образца
образуется выступ, на другой
кратер (рис. 3.в). Такая форма разрушения
образцов из малоуглеродистой стали
показывает, что разрушение связано со
сдвигом по площадкам, наклонным под
углом 45° к оси стержня, где касательные
напряжения будут наибольшими.
С удлинением
образца его поперечное сечение
уменьшается. Поэтому истинное напряжение,
определяемое как отношение силы F
к действительной площади поперечного
сечения А, будет выше, условного (на
диаграмме показано пунктирной линией),
что особенно различается для точки
разрыва М (см. рис. 1).
Если охарактеризовать понятие предела текучести кратко, то в сопротивлении материалов пределом текучести называют напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация. Предел текучести относится к характеристикам прочности.
Согласно [1], текучесть – это макропластическая деформация с весьма малым упрочнением dτ/dγ.
Физический предел текучести – это механическая характеристика материалов: напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести в диаграмме растяжения для материалов, имеющих эту площадку (рисунок), σТ=PТ/F. Здесь PТ – это нагрузка предела текучести, а F – это первоначальная площадь поперечного сечения образца.
Предел текучести устанавливает границу между упругой и упруго-пластической зонами деформирования. Даже небольшое увеличение напряжения (нагрузки) выше предела текучести вызывает значительные деформации. [2]
Условный предел текучести
Условный предел текучести (он же технический предел текучести). Для материалов, не имеющих на диаграмме площадки текучести, принимают условный предел текучести – напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает определённого значения, установленного техническими условиями (большего, чем это установлено для предела упругости). [2] Под условным пределом текучести обычно подразумевают такое напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2%. Таким образом обычно условный предел текучести при растяжении обозначается σ0,2.
Выделяют также условный предел текучести при изгибе и условный предел текучести при кручении.
Предел текучести металла
Характеристика, данная выше, справедлива в первую очередь для предела текучести металла. Предел текучести металла измеряется в кг/мм 2 или Н/м 2 . На значение предела текучести металла влияют самые разные факторов, например: толщина образца, режим термообработки, наличие тех или иных примесей и легирующих элементов, микроструктура, тип и дефекты кристаллической решётки и др. Предел текучести металлов сильно меняется с изменением температуры.
Предел текучести стали
Предел текучести сталей в ГОСТах указывается с пометкой «не менее», единица измерения МПа. Приведём в качестве примера регламентируемые значения предела текучести σТ некоторых распространённых сталей.
Для сортового проката базового исполнения (ГОСТ 1050-88, сталь конструкционная углеродистая качественная) диаметром или толщиной до 80 мм справедливы следующие значения предела текучести сталей:
- Предел текучести стали 20 (Ст20, 20) при T=20°С, прокат, после нормализации – не менее 245 Н/мм 2 или 25 кгс/мм 2 .
- Предел текучести стали 30 (Ст30, 30) при T=20°С, прокат, после нормализации – не менее 295 Н/мм 2 или 30 кгс/мм 2 .
- Предел текучести стали 45 (Ст45, 45) при T=20°С, прокат, после нормализации – не менее 355 Н/мм 2 или 36 кгс/мм 2 .
Для этих же сталей, изготавливаемых по согласованию потребителя с изготовителем, ГОСТ 1050-88 предусматривает иные характеристики. В частности, нормированный предел текучести сталей, определяемый на образцах, вырезанных из термически обработанных стальных заготовок указанного в заказе размера, будет иметь следующие значения:
- Предел текучести стали 30 (Ст30, закалка+отпуск): прокат размером до 16 мм – не менее 400 Н/мм 2 или 41 кгс/мм 2 ; прокат размером от 16 до 40 мм – не менее 355 Н/мм 2 или 36 кгс/мм 2 ; прокат размером от 40 до 100 мм – не менее295 Н/мм 2 или 30 кгс/мм 2 .
- Предел текучести стали 45 (Ст45, закалка+отпуск): прокат размером до 16 мм – не менее 490 Н/мм 2 или 50 кгс/мм 2 ; прокат размером от 16 до 40 мм – не менее 430 Н/мм 2 или 44 кгс/мм 2 ; прокат размером от 40 до 100 мм – не менее 375 Н/мм 2 или 38 кгс/мм 2 .
*Механические свойства стали 30 распространяются на прокат размером до 63 мм.
Предел текучести стали 40Х (Ст 40Х, сталь конструкционная легированная, хромистая, ГОСТ 4543-71): для проката размером 25 мм после термообработки (закалка+отпуск) – предел текучести стали 40Х не менее 785 Н/мм 2 или 80 кгс/мм 2 .
Предел текучести стали 09Г2С (ГОСТ 5520-79, лист, сталь 09Г2С конструкционная низколегированная для сварных конструкций, кремнемарганцовистая). Минимальное значение предела текучести стали 09Г2С для стального проката в зависимости от толщины листа меняется от 265 Н/мм 2 (27 кгс/мм 2 ) до 345 Н/мм 2 (35 кгс/мм 2 ). Для повышенных температур минимальное требуемое значение предела текучести стали 09Г2С составляет: для Т=250°C – 225 (23); для Т=300°C – 196 (20); Т=350°C – 176 (18); Т=400°C – 157 (16).
Предел текучести стали 3. Сталь 3 (углеродистая сталь обыкновенного качества, ГОСТ 380—2005) изготавливается следующих марок: Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп. Предел текучести стали 3 регламентируется отдельно для каждой марки. Так, например, требования к пределу текучести Ст3кп, в зависимости от толщины проката, меняются от 195-235 Н/мм 2 (не менее).
Текучесть расплава
Текучесть расплава металла – это способность расплавленного металла заполнять литейную форму. Текучесть расплава для металлов и металлических сплавов – то же что и жидкотекучесть. (См. Литейные свойства сплавов).
Текучесть жидкости вообще и расплава в частности есть величина, обратная динамической вязкости. В Международной системе единиц (СИ) текучесть жидкости выражается в Па -1 *с -1 .
Подготовлено: Корниенко А.Э. (ИЦМ)
Лит.:
- Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть II. Деформация: Учебник для вузов. – М.:*МИСИС*, 1997. – 527 с.
- Жуковец И.И. Механические испытания металлов: Учеб. для сред. ПТУ. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш.шк., 1986. – 199 с.: ил. – (Профтехобразование). – ББК 34.2/ Ж 86/ УДЖ 620.1
- Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.: ил. ISBN 5-217-00241-1
- Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. Справочник. – М.: Металлургия, 1980. 296 с.
- Белянкин Ф.П. Энергетический предел текучести металлов. // Сборник Института строительной механики АН УССР. №9, 1948.152
Конкурс «Я и моя профессия: металловед, технолог литейного производства». Узнать, участвовать >>>
Опубликовано 08.10.2016 · Обновлено 17.02.2018
Эта статья будет посвящена расчетам на прочность, которые выполняются в сопромате и не только. Расчеты на прочность бывают двух видов: проверочные и проектировочные (проектные).
Проверочные расчеты на прочность – это такие расчеты, в ходе которых проверятся прочность элемента заданной формы и размеров, под некоторой нагрузкой.
В ходе проектировочных расчетов на прочность определяются какие-то размеры элемента из условия прочности. Причем, очевидно, что для разных видов деформаций эти условия прочности различны. Также к проектным расчетам можно отнести расчеты на грузоподъемность, когда вычисляется максимальная нагрузка, которую может выдерживать конструкция, не разрушаясь. Рассмотрим более подробно, как проводится прочностные расчеты для разных случаев.
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.
Коэффициент запаса прочности выбирается конструктором исходя из своего личного опыта, назначения проектируемой детали и сферы применения. Обычно, он варьируется от 2 до 6.
В случае если необходимо подобрать размеры сечения, площадь выражают таким образом:
Таким образом, минимальная площадь поперечного сечения при центральном растяжении (сжатии) будет равна отношению продольно силы к допустимому напряжению.
Расчеты на прочность при кручении
При кручении расчеты на прочность в принципе схожи с теми, что проводятся при растяжении. Только здесь вместо нормальных напряжений появляются касательные напряжения.
На кручение работают, чаще всего, детали, которые называются валами. Их назначение заключается в передаче крутящего момента от одного элемента к другому. При этом вал по всей длине имеет круглое поперечное сечение. Условие прочности для круглого поперечного сечения можно записать так:
где Ip — полярный момент сопротивления, ρ — радиус круга. Причем по этой формуле можно определить касательное напряжение в любой точке сечения, варьируя значение ρ. Касательные напряжения распределены неравномерно по сечению, их максимальное значение находится в наиболее удаленных точках сечения:
Условие прочности, можно записать несколько проще, используя такую геометрическую характеристику как момент сопротивления:
То бишь максимальные касательные напряжения равны отношению крутящего момента к полярному моменту сопротивления и должны быть меньше либо равны допустимому напряжению. Геометрические характеристики для круга, упомянутые выше можно найти вот так:
Иногда в задачах встречаются и прямоугольные сечения, для которых момент сопротивления определяется несколько сложнее, но об этом я расскажу в другой статье.
Условный предел текучести (0,2% — граница удлинения)
Условным пределом текучести называется напряжение, при котором остаточная (пластическая) деформация составляет 0.2%. Это значение используется для высокопрочных болтов (например, кл. пр. 8,8), которые при напряжении демонстрируют непрерывный сдвиг между упругой и пластической деформацией. Предел прочности при растяжении бывает трудно определить, поскольку нет четкой границы пластичности. В этом случае можно использовать так называемую 0,2% границу, когда постоянное удлинение составляет 0,2%.
Условный предел текучести измеряется в H/мм² и обозначается:
- σ0,2 или Rp0,2 для крепежа, произведенного в соответствии с ГОСТ-стандартом;
- R p 0,2для крепежа, произведенного в соответствии с DIN -стандартом.
График зависимости между напряжением и деформацией — кривая для высокопрочных болтов:
ИНН: 7826682663, КПП: 784001001, ОГРН: 1027810323386