предел прочности и текучести металла
Диаграмма деформации показывает зависимость изменения длины образца при постепенном возрастании величины прилагаемого усилия (рис. 21).
В первый момент испытания длина образца увеличивается пропорционально нагрузке — чем больше растягивающее усилие, тем больше увеличение длины.
При этом образец деформируется упруго, т. е. при устранении нагрузки образец примет свою первоначальную длину. Такая деформация носит название упругой деформации.
При достижении нагрузкиPs в металле возникает заметная пластическая деформация — сдвиги слоев металла относительно друг друга, и при устранении нагрузки образец не принимает своей первоначальной длины.
Нагрузка, отвечающая этому моментуPs, называетсянагрузкой предела текучести.
Предел текучести металла
Отношение этой нагрузки к площади поперечного сечения называютпределом текучести.
гдеF0 — первоначальная площадь поперечного сечения образца в мм2.
Как видно из формулы, предел текучести измеряется в кг/мм2.
Величины, выраженные в таких единицах, называют напряжением.
Таким образом, пределом текучести называют напряжение, при котором начинает развиваться заметная пластическая деформация.
При дальнейшем увеличении нагрузки за пределом текучести прямолинейной зависимости между нагрузкой и длиной образца уже нет. Наконец наступает такой момент, когда нагрузка начинает падать, а в образце намечается образование сужения поперечного сечения (образование шейки).
Предел прочности металла
Максимальную нагрузку, которую выдержал образец, называют нагрузкой предела прочности, а напряжение, отвечающее этой максимальной нагрузке, — пределом прочности.
Таким образом, пределом прочности называют максимальное напряжение, выдержанное образцом.
Дальнейшее растяжение образца сопровождается образованием все более сужающейся шейки и падением нагрузки. Вслед за этим наступает разрушение образца.
Пределы прочности и текучести характеризуют
прочность материала.§
Механические свойства длительно работающих сталей и природа предела текучести Текст научной статьи по специальности «Физика»
УДК. 621.052.08
А.Н. Смирнов
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЛИТЕЛЬНО РАБОТАЮЩИХ СТАЛЕЙ И ПРИРОДА ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ
В тепловой энергетике наиболее широкое применение нашли хромомолибденованадиевые стали, из которых изготовлены сотни тысяч тонн труб для электростанций России. В настоящее время более 80% всего энергооборудования отработало свой расчетный срок и поэтому оценка его работоспособности и определение остаточного ресурса весьма актуальная задача.
Так как механические свойства являются одними из важнейших показателей определения эксплуатационной надежности металла всех технических устройств (включая и опасные производственные объекты) в представленной работе изучали их изменения в процессе длительной эксплуатации в различных зонах по сечениям труб и физическую природу предела текучести.
Механические характеристики определяли на вырезке из паропровода диаметром
219,0мм с толщиной стенки 25,0мм после 176256 часов эксплуатации при давлении 13,0
Мпа и температуре 5450 С. Материал — сталь 12Х1МФ. Микроструктуру изучали методами электронной микроскопии.
По сечению трубы было вырезано 17 образцов для испытаний на растяжение. Все сечение трубы было поделено на три зоны: внешнюю, внутреннюю и среднюю.
Часть механических свойств усреднялась по этим зонам для сопоставления их со структурными параметрами и механическими свойствами исходной стали. Образцы 1-5 от-
носились к внешней зоне, 6-12 -к средней и 13-17 — к внутренней. Испытания на растяжение были выполнены на машине типа «Inston» с автоматической записью диаграммы. Первичная диаграмма пересчитывалась в диаграмму «напряжение — деформация». Из таких кривых определяли модуль упругости, предел текучести, коэффициент упрочнения на линейной стадии, напряжение перехода к стадии III сш и соответст-
вующую степень деформации £ш, напряжение и деформацию равномерного удлинения и временное сопротивление разрыву. После измерения параметров шейки подсчитывалось истинное удлинение, относительное сужение и истинное напряжение разрушения.
Прочностные свойства по сечению трубы. После длительной эксплуатации механические свойства стали по сечению трубы несколько отличаются.
На нем представлены зависимости предела текучести от, напряжения
равномерного растяжения Ор, временного сопротивления св и истинного предела проч-
ности оист по сечению трубы.
Внешняя часть трубы обладает более высоким пределом текучести, затем происходит постепенное снижение от к внутренней зоне. Разброс механических характеристик на пределе текучести относительно невелик. Значения предела текучести изменяются в интервале
310…365 МПа. Их интересно сравнивать с рекомендованными ГОСТ значениями от для стали 12Х1МФ в исходном состоянии [1 — 4]. Оказывается, они изменяются в пределах
255..330 МПа в случае измерения их при комнатной температуре (Ткомн).
Можно констати-
номер образца
ровать, что после 176256 часов работы трубы предел текучести ее материала не вышел за пределы, допустимые ГОСТ для этой стали.
Разброс для напряжения равномерного удлинения Ор такой же, как для предела текучести (рис.1). Величина Ор меняется в пределах 450…520 МПа. Оно слабо изменяется по сечению трубы, оставаясь в среднем, равным 490 МПа, и понижаясь до 475 МПа к краям трубы. С учетом среднего значения равномерного удлинения <£р>— 11%, можно найти ов -временное сопротивление [5], равное в этом случае 436 Мпа (значения по сечению трубы представлены на рис.
рекомендованного ГОСТ среднего значения <ов>, но в пределах рассеяния данных, зафиксированных разными ГОСТ.
Структурные изменения в стали за время работы несколько снизили ее прочностные свойства по сравнению с рекомендованным исходным состоянием.
Истинное напряжение разрушения Оист образцов, вырезанных из трубы, значительно выше, чем ов и Ор. Характеристика оист рассчитывается с учетом реального сужения образца в шейке [5]. Значение этой величины представлено на рис.
1, ее рассеяние значительно.
Это обусловлено двумя причинами: во-первых, стохастиче-
ским характером явления разрушения вообще и, во-вторых, трудностью измерения параметров шейки разрушенного образца. Из рис. 1 видно, что средняя зона реально прочнее внутренней и внешней зон трубы. Истинные напряжения разрушения стали изменяются в пределах 550…780 МПа. Это достаточно высокие значения. Частично они связаны с процес-
сами карбидного упрочнения в ходе функционирования материала при повышенных температурах. Поэтому важным является анализ пластических свойств материала трубы.
Пластические свойства по сечению трубы. Характеристики удлинения для различных образцов, вырезанных из трех зон трубы, представлены на рис. 2. Первая характеристика пластичности — величина равномерного удлинения до образования шейки £р=ёр [5]. Равно -мерная пластичность максимальна в средней зоне образца и резко убывает к внутренней и особенно к внешней зоне.
Рис.2. Характеристики пластичности исследуемой стали по сечению трубы: равномерное удлинение £ист=дв и истинное удлинение Єист=ІЇ
номер образца
Рис. 3. Изменение полного сужения У по сечению трубы
няется в пределах 16…38% со средним значением, равным <¿>=22,8%. Можно констатировать, что за 176256 часов своей службы материал стали несколько уменьшил свою способность к удлинению в испытаниях на растяжение.
В связи с этим полезно рассмотреть сужение Ф представляющее собой сумму равномерного и сосредоточенного сужений, т.е. измеренного в «шейке». Соответствующие данные представлены на рис. 3. Как и удлинение, относительное сужение достигает максимума на границе средней и внутренней зон и убывает к внешней зоне и центру трубы. Рассеяние величины Ф достаточно велико, а его среднее значение < Ф >=56,1%. Табличные значения Ф для исходного состояния стали 12Х1МФ изменяются в пределах 35…78% (1 — 4) со средним значением 57,3%. Следует обратить внимание, что рассеяние данных о полном сужении образцов стали 12Х1МФ в исходном состоянии значительно
выше, чем после длительной эксплуатации. Совершенно очевидно, что после 176256 часов работы полное сужение для всех образцов находится внутри рассеяния Ф табличного, а среднее значение Ф исходного и Ф стали после 176256 часов работы совпадают.
По этому параметру свойства стали за время эксплуатации практически не снизились.
Анализ механизмов упрочнения стали в структурном состоянии, возникшем после
1762556 часов ее работы. Параметры структуры были изучены в трех зонах: внешней, средней
и внутренней, поэтому целесообразно предел текучести рассматривать по трем зонам. Это позволит найти связь между структурой и механическими свойствами. Эксперименталь-
ные значения предела текучести, усредненные по трем зонам, представлены в табл. 1. Здесь же даны сведения об упругих полях напряжений [6].
Следует отметить, что испытания отдельных образцов дают достаточно резкий предел текучести, который определяется с точностью ±20 МПа.
Формирование предела текучести.
Структурное состояние исследуемой стали в условиях пластической деформации позволяет ее рассматривать как однофазный а-твердый раствор, упрочненный выделениями мелких карбидов, расположенных в теле зерен и на дислокациях. Более крупные карбиды находятся на границе зерен и их стыков. Они не оказывают влияние на скольжение в теле зерен, но влияют на генерацию дислокации с границ зерен и передачу скольжения от зерна к
зерну.
Совокупность сведений о структурном состоянии исследуемой стали позволяет выразить предел текучести в виде суммы вкладов различных механизмов [7,8]:
а = °П -Н + &ТР + (1)
+ ад +ау + ац +&х — П
Здесь ОП-Н — трение кристаллической решетки или вклад Пайерлса-Набарро; отр -твердорастворное упрочнение; Од — дислокационный вклад, О у
— вклад внутренних упругих полей напряжений; Оц — вклад
от преодоления сопротивления дисперсных частиц-карбидов, расположенных в теле зерен и, наконец, Ох-п — вклад Холла-Петча.
Рассмотрим роль этих вкладов по порядку.
Трение решетки, или вклад Пайерлса-Набарро. Темпера-
турно-зависимый вклад оп-н благодаря термической активации движения дислокации при Ткомн сравнительно не велик, он составляет — 20…40 МПа [9].
Вклад твердорастворного упрочнения оП-н- Его предстоит оценить. Информация об объемной доле специальных карбидов, присутствующих в стали 12Х1МФ после 176256 часов работы, показывает, что практически все легирующие элементы как замещения (Сг, V, Мо), так и внедрения (углерод) ушли из а-Бе — твердого раствора. Теперь в этом состоянии а-Бе — твердый раствор упрочнен лишь случайными примесями типа 81, Мп и т.п., которых относительно немного. Твердорастворное упрочнение легированного феррита в аддитивном приближении можно представить в виде следующего соотношения [10]:
N
°ТР = Е к,с, (2) ,=1
где С, — концентрация элемента по массе, К, — коэффициент, зависящий от типа элемента.
С использованием данных о составе стали и приведенных в [10] значений коэффициентов К, для соответствующих элементов были проведены оценки Отр. Эти оценки дали значения Отр=70 МПа для всех зон исследуемой стали. По-видимому, эти цифры близки к реальным. Необходимо учитывать, что выражение (2) завышает вклад твердорастворного упрочнения легированного феррита, так как известно, что зависимость Отр
от концентрации элемента (С)
п1/2
чаще пропорциональна С
[10] и даже С2/3 [11], чем С.
Таблица 1
Экспериментальные значения предела текучести От и упругих полей напряжений, МПа
Зона о? с Ту о
Внешняя 342,5 59,0 130,0 103,0
Средняя 315,0 51,0 100,0 84,0
Внутренняя 306,7 42,0 100,0 69,0
С другой стороны, в реальной стали может быть меньше примесей, чем указанные пределы по ГОСТ, и это приведет к уменьшению Отр.
Наконец, следует иметь в виду, что коэффициенты К, могут несколько отличаться в любую сторону как для различных сталей, так и у разных авторов [12].
Вклад_______дислокационной
структуры Од хорошо известен и выражается соотношением
[31]:
Од = та/иЬр1!2 (3)
где т=2,2 — фактор Шмида, а -коэффициент междислокацион-ного взаимодействия, у.= 8х104МПа — модуль сдвига для стали, Ь=2,5х10-10 нм — вектор Бюргерса, р — скалярная плотность дислокации. На рис. 4
представлена зависимость пре-
1/2
дела текучести От от р для исследуемой стали. Она близка к линейной, что указывает на значительный вклад дислокационной структуры в формирование предела текучести.
Если использовать приведенные выше константы и линейную зави-1/2
симость » От — р на рис. 4, то можно найти, что а=0,64.
Эта величина находится в пределах значений а, определенных в разных экспериментах для чистого Бе [13]. Однако а =0,64 заметно больше среднего значения а, полученного для чистого Бе в условиях, когда другие механизмы, кроме механизма Пайерлса-Набарро, не действуют. Это различие неудивительно, поскольку, согласно (14), От определяется совокупностью разных вкладов, а не только скольжением через дислокационную структуру. Поэтому значение а, полученное из зависимости, представленной на рис. 4, является условно эффективным значением, тем более, что имеет место небольшое отклонение от линейной зави-1/2
симости «От — р на этом рисунке. Реальный вклад Од представлен на рис.4 пунктирной линией с отдельной правой
шкалой.
Он получен при а =0,3 [13]. Хорошо видно, что он составляет примерно 1/3-1/4 от предела текучести От, и несколько больше вклада твердорастворного упрочнения. Величина этого вклада указывает на важную роль дислокационной структуры в формировании предела текучести.
Внутренние поля напряжений. Обычно дислокационная структура создает внутренние упругие поля напряжений. Упругие напряжения в исследуемой стали были измерены двумя способами — методом электронной микроскопии и методом рентгеноструктурного анализа. Первый способ дает скалывающие напряжения Ту, второй -нормальные напряжения (растяжение-сжатие) Ту [15,16]. Они представлены в табл. 1. Величины ту дают вклад в сопротивление деформированию и разрушение сколом, величины
Ту важны при разрушении отрывом. Связь тсу с пределом
текучести носит нелинейный характер и свидетельствует о том, что вклад внутренних полей в От соизмерим с вкладами твердорастворного упрочнения и дислокационной структуры.
Проблемы происхождения
ту и его аддитивности заслуживают специального рассмотрения. Известно, что в случае дислокационного происхожде-
Рис. 5. Зависимости упругих напряжений от ска-
п . гг л л „ лярной плотности дислокаций: тУ — суммарное
Рис. 4. Предел текучести От и дислокационный г ’ У ‘ г
вклад Од в него, представленные в зависимости от
Р12
внутреннее поле, гс — дислокационный вклад в
у-д
упругое поле, ?у-ч — вклад дисперсных карбидных частиц в упругое поле
осуществляется по формуле:
Оу =ШТу (5)
Вклад Оу в предел текучести представлен в табл.
1.
Поскольку внутренние упругие поля напряжений Ту-ч созданы карбидами в теле зерен, они могут быть оценены по известному соотношению [9]:
Ту — ч = 2№ч5ї (6)
где Лч — модуль сдвига частиц карбида (УМо)С, £ — параметр размерного несоответствия между параметрами кристаллических решеток карбида и а-Бе, /
— объемная доля частиц внутри зерен. С учетом сведений о характеристиках кристаллических решеток и их упругих модулей [19], был определен параметр £=10-2 . Затем, используя результаты электронно-микроскопических исследований по формуле (6) был определен
вклад Т(у—ч , обусловленный когерентными частицами кар-
ТУ—
ч, определенную как раз-
ность между измеренными полями ТСу и оцененным вкладом
тс в упругие поля, создан —
у—д
ные дислокационной структурой.
Весьма хорошее согласие
оценки тсу — ч двумя совершенно независимыми способами, основанными на измерении методом электронной микроскопии совершенно разных параметров дислокационной и карбидной подсистем, свидетельствует о высокой надежности выполненных оценок.
Вклад внутренних упругих полей, обусловленный когерентными и полукогерентными частицами малых размеров (~50 нм), одновременно является вкладом в дисперсное упрочнение (Оч ). Это обусловлено тем, что упругие поля являются основным препятствием, которое создают эти частицы дви-
Таблица 2
Параметры карбидных частиц внутри зерен
Зона Параметры частиц
Объемная доля частиц _ / Средний размер частиц Оч, мкм Расстояние между частицами X, мкм
Внешняя 0,013 0,05 0,30
Средняя 0,013 0,05 0,30
Внутренняя 0,010 0,05 0,36
ния тсу он связан со скалярной
плотностью дислокации следующим соотношением [17]:
тсу =асуфр112 (4)
где асу — параметр, зависящий
от порядка в расположении дислокации [18].
Зависимость
II с 1/2 „
«Ту -р , полученная экспе-
риментально, представлена на рис.5. Она близка к линейной с экспериментальным значением
асу = 0,46. Эта величина для
дислокационной структуры, наблюдаемой в исследуемой стали, является сильно завышенной [18]. Согласно данным электронно-микроскопического исследования, основной тип дислокационной структуры в исследуемой стали — сетчатая. Анализ, проведенный в [18], показал, что для сетчатых субструктур сОу изменяется в интервале 0,05…0,12 со средним значением 0,10. Эти величины
значительно меньше, чем аСу =
0,46. Поэтому можно констатировать, что главный источник внутренних упругих полей -карбидные выделения.
Дислокационный вклад
тс представлен на рис.5.
у—д
Этот вклад получен с использованием значения тс = 0,10.
у—д
При оценке предела текучести он целиком входит в Тд. Раз-
сс
ница между ту и тс явля-
у—д
ется реальным вкладом внутренних полей Ту в предел текучести. Переход от Ту к Оу
бида (‘УМо)С. На то, что они когерентны или полукогерент-ны, указывает характер дислокационной структуры вблизи частиц карбидов.
Значения
ТСу—ч представлены на рис.5 в
виде отдельных точек. Они хорошо ложатся на прямую
жущимся дислокациям.
Дисперсное упрочнение частицами карбидов. Помимо внутренних дальнодействую-щих упругих полей напряжений, которые создаются в основном частицами карбидов внутри зерна, эти частицы препятствуют скольжению дислокации и сами по себе путем
Таблица 3
Величины вкладов различных механизмов в предел текучести исследуемой стали
Зоны Предел текучести и вклады в него, МПа
Оп-н ОТР ОД Оу Оч ОХ-П От , рассч. От , экспер.
Внешняя 20,0 70,0 94,0 92,0 133,0 156,0 344,0 342,5
Средняя 20,0 70,0 83,0 92,0 133,0 144,0 328,0 315,0
Внутренняя 20,0 70,0 77,0 70 111,0 132,0 293,0 306,7
Рис.
6. Зависимости предела текучести от и вклада ох-п в него от d-1/2
эта зависимость сильно откло-
близкодействия. Дислокации
могут преодолеть их двумя способами: путем их перерезания или путем обхода. Переход от одного механизма к другому зависит от размера частиц и степени их когерентности с матрицей. Параметры частиц, необходимые для определения вклада дисперсного упрочнения
Тч в сопротивление деформированию даны в табл. 2.
Напряжение перерезания чаще определяется по уравнению Герольда-Хаберкорна [9]:
Ч=2(7)
Здесь л и Ь — модуль сдвига и вектор Бюргерса дислокации матрицы соответственно, Оц -диаметр частиц.
Использование этого выражения в сочетании с данными в
табл. 2 дает вклад Оч = ттч , равный 160 МПа. В случае огибания дислокациями
= 2таф (8) ц X
Этот вклад с использованием данных табл. 2 изменяется в пределах 111…133 МПа. Поскольку дислокации всегда выбирают способ перемещения с наименьшим напряжением,
следует ожидать перемещение их по механизму огибания, то есть механизму Орована. Выбор между механизмами зависит также от размера и степени когерентности частиц. Согласно [20], критический размер перехода от перерезания к огибанию определяется из уравнения:
Окр = 40 (9)
Ьц
где ¡Лм и /Ац — модули сдвига матрицы и частиц соответственно, ЬМ и Ьц — векторы Бюр-герса для матрицы и частиц соответственно.
Оценки, выполненные с помощью (9), дают критический размер частицы, равный 5 нм, что на порядок меньше реального среднего размера частиц в зернах исследуемой стали. Тем самым под-
тверждается вывод, что основным механиз-
мом преодоления дислокациями частиц на близких расстояниях является их огибание.
Вклад дисперсного упрочнения оказывается значительным. Это обусловлено дли-
тельным старением стали в ходе эксплуатации.
Вклад Холла-Петча. Он определяется известным соотношением [21]:
ох — П = ы12 (10)
где d — средний размер зерен в данной зоне. Прежде всего, рассмотрим зависимость предела текучести от среднего размера зерна.
Она представлена на рис.
6. Совершенно очевидно, что
няется от прямолинейной. При этом коэффициент к для разных ее участков изменяется в пределах 2,4…2,8 кг-мм-32. Для исследуемой стали это слишком большое значение, что не удивительно, поскольку вклад Хол-ла-Петча — это не единственный вклад, который определяет величину От. Анализ экспериментальных данных, приведенных в
0,3
0,2
0,1
0,0
0,3
0,2
0,1
0,00,4 •
0,3
0,2
0,1
0.
.
а)
00
Д
я
6)
0,04 0,08 0,12
(1. мкм
Рис. 7. Функция распределения частиц по размерам. цастицы внутри зёрен: а — внутренняя, б
— средняя, в — внешняя зоны
‘0,00 0,02 0,04 0,06 0,08
(1,МКМ
Рис. 8. Функция распределения частиц по размерам. цастицы на дислокациях: а — внутренняя, б — средняя, в — внешняя
зоны
[9,21], позволяет выбрать для исследуемой стали как наиболее реальный коэффициент £=1,8 кг-мм-3/2.
Реальный вклад Хол-ла-Петча также приведен на рис. 6 с отдельной шкалой. Он значителен и составляет почти половину от предела текучести, превосходя все остальные вкла-
ды.
Оценка предела текучести на основе данных о структуре материала. Упрощенное уравнение (1) с аддитивной суммой всех вкладов пригодно только для демонстрации различных механизмов, определяющих формирование предела текучести. Современная физика прочности разработала более адекватные приемы суммирования вкладов отдельных механизмов для получения надежных значений сопротивления деформированию. Для исследуемой стали эти вклады представлены в табл. 3. Физика предела текучести современных сталей и механизмы, ее определяющие подробно изложены в [16]. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
Все вклады в От, представленные в табл.3 физически делятся на три группы. К первой
группе относится вклад Оп-н, который действует равномерно
вдоль всей плоскости скольжения.
р +
+ од +ОЦ +ОУ А2 + ОХ — П
(11)
Здесь помимо квадратичного суммирования по группам механизмов учтен тот факт, что скольжение дислокации при деформации вблизи предела текучести происходит по наиболее слабым местам на статистическом распределении препятствий. Для учета этого эффекта необходимо либо вычесть специальную флуктуационную поправку [23,24], либо ввести статистический коэффициент Кокса [25] для механизмов, связанных со спектром случайных препятствий. В (11) как раз и введен статистический коэффициент Кокса, равный 0,84. Ко-
эффициент Кокса, равный 0,84, рассчитан для дислокации, движущихся через спектр случайных препятствий. Этот
спектр составлен четырьмя видами препятствий: 1) атомами в твердом растворе, 2) дислокациями, 3) частицами, 4) упругими полями.
Спектр распределения этих препятствий представлен на рис. 7,8. Эти рисунки наглядно демонстрируют стохастический характер распределения препятствий и правомочность применения коэффициента Кокса.
В табл. 3 представлены
вклады в предел текучести, а также значения расчетного суммарного предела текучести и его экспериментальное значение по всем трем зонам поперечного сечения трубы. Хорошее согласие расчетного и экспериментального значений ОТ свидетельствует о надежности данных электронно-микроскопических измерений и описанной здесь физической концепции предела текучести стали 12Х1МФ в состаренном после длительной эксплуатации трубы состоянии.
Результаты, представленные в табл. 3, отражены на итоговом рис. 9. Наряду с экспериментальным и расчетным значениями предела текучести стали 12Х1МФ после 176256 часов эксплуатации, на нем представлены свойства стали в исходном состоянии.
Разброс данных разных авторов и ГОСТов для стали в исходном состоянии отражен на рис.9 в заштрихованной области. Материал средней и внутренней зон попадает в нее, внешняя зона имеет несколько более высокий предел текучести. Этому способствует ряд факторов. Возрастание предела текучести от внутренней зоны трубы к внешней обусловлено ростом плотности дислокации, внутренних упругих полей, вкладом дисперсного упрочнения и более мелким размером зерна.
зона зона зона
Рис. 9. Предел текучести, определённый экспериментально и найденный расчётным путём, для различных зон «гиба» трубы. Заштрихована область существования предела текучести стали в исходном состоянии
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали: Справочник. М.: Машиностроение, 1992. — 480 с.
2. Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов. М.: Энергоатомиздат,
1990. — 367 с.
3. Масленков С.Б., Масленкова Е.А. Стали и сплавы для высоких температур. // Справочник. Книга I. М.: Металлургия, 1991. — 382 с.
4. Тихонов М.В., Кононенко В.А., Прокопенко Г.И., Рафаловский В.А. Механические свойства металлов и сплавов. Киев: Наукова думка, 1986. — 567с.
5. Золотаревский B.C. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1983. — 350 с.
6. Конева Н.А., Козлов Э.В., Тришкина Л.И., Лычагин Д.В. Дальнодействующие поля напряжений, кривизна-кручение кристаллической решетки и стадии пластической деформации. Методы измерения и результаты.
// Новые методы в физике и механики деформируемого твердого тела. Ч.1. — 1990. — Терскол. — С. 83-93.
7. Иванов Ю.Ф., Гладышев С.А., Козлов Э.В. Структурные оценки предела текучести высокопрочных конструкционных сталей // Сб. «Пластическая деформация сплавов».- Томск: ТГУ, 1986. — С. 152-163.
8. Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В., Шаркеев Ю.П., Пушкарева Г.В. О роли механизмов упрочнения стали 08Г2С при электростимулированной деформации // ФизХОМ. — 1992. — №4. — С. 137-142.
9. Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочнение стали. М.: Металлургия, 1979. — 208 с.
10. Гольдштейн М.И., Литвинов B.C., Бронфин Б.М. Металлофизика высокопрочных сплавов. М.: Металлургия, 1986. — 311 с.
11. Хаазен П. Механические свойства твердых растворов и интерметаллических соединений // Физическое металловедение.
Т. 3. Под ред. Р.В. Кана, П. Хаазена. М.: Металлургия, 1987. — С. 187-254.
12. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. М.: Металлургия, 1982. — 182 с.
13. Предводителев А.А. Современное состояние исследований дислокационных ансамблей // Проблемы современной кристаллографии. М.: Наука, 1975. — С. 262-275.
14. Винокур Б.В., Бейнисович Б.Н., Геллер А.Л., Натансон М.Э. Легирование машиностроительной стали. М.: Металлургия, 1967.- 198 с.
15. Конева Н.А., Козлов Э.В., Тришкина Л.И. Спектр и источники полей внутренних напряжений в деформированных металлах и сплавах. // Изв. Академии наук. — 1998 — Т.62 — №7 — С. 1350-1356.
16. Козлов Э.В., Теплякова Л.А., Конева Н.А. и др. Роль твердорастворного упрочнения и взаимодействия в дислокационном ансамбле в формировании напряжения течения азотосодержащей аустенитной стали // Изв.
ВУЗов. Физика. — 1996. -Т.39 — №3. — С. 33-56.
17. Зеегер А . Механизм скольжения и упрочнения в кубических гранецентрированных и гексагональных плотноупакованных металлах // Дислокации и механические свойства кристаллов. — М.: 1960. — С. 179-189.
18. N.A. Koneva, E.V. Kozlov. Internal fields and others contributions to flow stress // Mater. Sci. and Eng. -1997. — V. A234-236 — P.982-986.
19. Андриевский А.Р., Спивак И.И. Прочность тугоплавких соединений и материалов на их основе. Справочник. Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1989. — 367 с.
20. Келли А., Никольсон Р. Дисперсионное твердение. М.: Металлургия, 1966. — 298 с.
21. Иванова B.C., Гордиенко Л.К., Геминов В.М. Роль дислокаций в упрочнении и разрушении металлов.
М.: Наука, 1965. — 180 с.
22. Попов Л.Е., Конева Н.А., Терешко И.В. Деформационное упрочнение упорядоченных сплавов. М.: Металлургия, 1979. — 256 с.
23. Конева Н.А., Козлов Э.В. Природа субструктурного упрочнения // Изв. Вузов. Физика — 1982 -№8. — С. 3-14.
24. Конева Н.А., Козлов Э.В. Закономерности субструктурного упрочнения // Изв. Вузов. Физика. —
1991. — №3. — С. 56-70.
25. Кокс Ю. Ф. Статистическая теория упрочнения сплавов // Физика прочности и пластичности. Пер. с англ. Под ред. Л.К. Гордиенко. М.: Металлургия, 1972. -C. 117-132.
□ Автор статьи:
Смирнов Александр Николаевич
— канд.
тех. наук, доц. каф. технологии металлов
Предел текучести сталей — Справочник химика 21
Поведение сталей при высоких температурах. При повышении температуры предел текучести сталей падает, поэтому допускаемые напряжения должны быть меньше, чем при нормальных условиях. [c.18]Тлблица 4.8. Пределы текучести сталей (минимальные значения) От, МПа [c.166]
От — предел текучести стали. [c.101]
Гарантируемые минимальные величины временного сопротивления и предела текучести стали трех групп прочности (обычной, повышенной и высокой) приведены в табл. 85. [c.165]
Величину размаха коэффициента интенсивности напряжений определяли по данным о пределе текучести стали и допустимого размера дефекта по формуле [c.254]
Большая часть аппаратов иа нефтеперерабатывающих заводах работает при повышенных температурах.
Изменение механических свойств сталей при повышенных температурах следует учитывать при выборе допускаемых напряжений. Так, при повышении температуры предел текучести сталей падает, а поскольку рабочие напряжения не должны превышать предел текучести, п их выбирают с определенным запасом, то при повышении температуры допускаемые наиряжения уменьшают. [c.5]
Баллоны рассчитывают так, чтобы напряжения при гидравлическом испытании не превышали 95% предела текучести стали. [c.188]
Введя обозначение V=aja (коэффициент использования несущей способности относительно предела текучести стали а ), проинтегрировав (1) в запас прочности, получили выражение для долговечности t в условиях механохимической коррозии с учетом релаксации напряжений [c.302]
Т — абсолютная температура. К бт — предел текучести стали [c.20]
Данные многочисленных исследований свидетельствуют об отрицательном влиянии водорода на механические свойства стали, однако единое мнение о характере и степени их изменения в результате наводороживания отсутствует.
Так, согласно [11], предел текучести стали уменьшается, а согласно [14], напротив, увеличивается. Предел прочности при поглощении водорода снижается незначительно [15, 14], а в результате наводороживания металла в сероводородных растворах суще-стве пю уменьшается [И, 12, 16]. [c.15]
Уренгой — Центр 1, Уренгой — Центр II), а трещины зарождались в стороне от концентраторов. Данный факт, очевидно, может быть объяснен тем, что критические напряжения, необходимые для протекания этого вида коррозионно-механического разрушения, имеют небольшие значения и находятся ниже величин расчетных рабочих напряжений в стенке трубы (не превышают предела текучести стали). Следует отметить, что при расчете магистральных трубопроводов на прочность в соответствии с действующими нормативно-техническими документами не учитываются внутренние напряжения 1 и 2-го рода, возникающие при производстве труб, которые имеют достаточно высокие значения. Поэтому трещины зарождаются в очаге разрушения без видимых дефектов на металле, имеющем достаточный уровень напряжений для протекания КР (физические концентраторы напряжения).
[c.31]
Для построения статистической модели была проведена оценка вклада различных факторов на время до разрушения магистральных газопроводов. В качестве рабочего инструмента была выбрана процедура множественной регрессии, позволяющая получать модель в виде линейной комбинации воздействующих факторов. Исследования проводились с доверительной вероятностью 95 %. В качестве независимых переменных использовались величины толщин стенок труб, температур, расстояний до компрессорной станции, давлений, а также их модифицированные значения (обратная температура, обратное расстояние, отношение действующего напряжения к пределу текучести стали и др.). Расчеты проводились как с использованием константы, так и без нее. Всего было рассмотрено 48 вариантов модели. Из них была выбрана одна, имеющая наиболее высокий коэффициент детерминации. В табл. 1.6 приведены результаты расчета этой модели. Переменные имеют следующие обозначения толщина стенки трубы (мм) — Н, давление (МПа) — Р, температура (°С) — Т, величина, обратная расстоянию до компрессорной (100/км) — ЬО, время до разрушения (лет) -1.
[c.56]
Таким образом, обнаружено, что испытания образцов с постоянной скоростью деформации эффективны для изучения механохимического поведения стали в нейтральных и кислых средах и менее эффективны в щелочных средах. Для щелочных сред результаты, пригодные для практического использования, могут быть получены только при повышенных температурах испытаний, что подтверждается данными зарубежных исследователей [212]. Последнее может служить серьезным недостатком метода в связи с невозможностью получения достоверных результатов для их реализации на магистральных газопроводах Западной Сибири и Урала. Кроме того, максимальная механохимическая активность наблюдается при растягивающих напряжениях, превышающих предел текучести. Поэтому результаты, получаемые с помощью данной методики, можно переносить на реальные объекты с определенной степенью осторожности вследствие эксплуатации инженерных сооружений, таких как магистральные газопроводы, как правило, в области механических напряжений, не превышающих предел текучести, тем более, что очаги растрескивания, как правило, не связаны с имеющимися на поверхности труб концентраторами напряжений, в которых последние могут превысить предел текучести стали.
[c.71]
При первоначально проведенных испытаниях на трубах группы прочности Х52 было обнаружено, что текущее напряжение можно выразить через предел текучести стали. При этом было получено следующее эмпирическое соотношение [c.103]
МПа, где Г] = 1, так как материал корпуса — листовой прокат а = 139 МПа — нормативно допускаемое напряжение для стали 20 при t = 150°С = 220 МПа— предел текучести стали 20 при +20°С. [c.438]
Замедление коррозионной усталости в исследованном диапазоне наложенных потенциалов, которые могут иметь место на внешней катодно-поляризованной поверхности трубы даже при деформациях, превышающих предел текучести стали (что может иметь место в концентраторах напряжения), наряду с отмеченным в разделе 1 отсутствием жесткой привязки разрушений к концентраторам напряжения, позволяет рассматривать КР и коррозионную усталость как проявления двух самостоятельных видов коррозионно-усталостных разрушений.
[c.111]Стр — упругие номинальные напряжения в стенке трубы, МПа ао,2 — условный предел текучести стали, МПа. [c.114]
После решения дифференциального уравнения (5.1) и введения обозначений Р = ст/стт (коэффициент использования несущей способности относительно предела текучести стали (стт) — величина, обратная коэффициенту запаса прочности) и Т = 1/1о (относительная долговечность, в которой I — фактическая долговечность, — долговечность металла без учета влияния механических напряжений на скорость коррозии) получаем выражение [c.120]
Таким образом, термическое упрочнение существенно повышает предел текучести стали и ударную вязкость при отрицательных температурах даже для углеродистой кипящей стали [123]. [c.336]
Наблюдения показали, что в рассматриваемой листовой конструкции стенки предел текучести стали наступил при напряжениях 270-290 МПа, фактический предел текучести — при нагрузках, соответствующих высоте столба воды 20 м.
При этом расчетные напряжения на пятом, наиболее напряженном поясе достигли 330 МПа. При условном уровне воды 25 м расчетные напряжения в том же поясе доходили до 425 МПа, что приближается к временному сопротивлению стали. Приведенные величины напряжений определены как кольцевые напряжения в поясах стенки по упрощенной формуле. [c.42]
Предел текучести в реальной конструкции принят = 280 МПа, радиальное перемещение, соответствующее пределу текучести стали, - [c.43]
Предел текучести стали зафиксирован около 270—290 МПа или в среднем 280 МПа. Предел прочности основного металла и сварного шва оказался выше 420 МПа, это указывает на то, что запас прочности по сравнению с рабочими напряжениями от эксплуатационной нагрузки без учета дополнительных напряжений от местных отклонений, неравномерной осадки и других равен примерно 3. [c.45]
Испытание показало, что стенка резервуара прочнее ослабленного кольцевого шва, так как при гидростатическом давлении от столба воды 10 м и при разрушившем шов избыточном давлении 45 кПа напряжения в стенке не превысили предел текучести стали и не было зафиксировано остаточных деформаций в стенке. [c.70]
Наибольшая испытательная нагрузка в испытанном резервуаре превысила эксплуатационную от бензина при плотности р = 0,76 т/м и избыточном давлении 15 кПа для нижнего пояса на 74 %. Это означает, что ослабленный кольцевой шов не разрушится при напряженном состоянии стенки, не превышающем предел текучести стали. [c.71]
Как показывает опы эксплуатации ряда високотеы11ературн>>х аппаратов, учет только утэанних параметров бывает недостаточным. Предел текучести сталей сам ш себе не отражает характера пластического дефор и рования, особенно при больших скоростях роста деформаций термического характера. [c.48]
Автор метода рулонирования — доктор техн. наук Г.В. Раевский. Исследования, которые проводили в ИЭС и во ВНИИМонтажспецстрое с участием автора, позволили экспериментально установить величины пластических деформаций и проверить их расчетным путем [29]. Установлено, что величина пластических деформаций зависит от радиуса барабанов, толщины листов рулона и предела текучести стали. Вопросами же надежности конструкций стальных резервуаров, подвергающихся пластическим деформациям в стадии изготовления и монтажа, никто в комплексе не занимался. Однако следует учесть очевидный факт, что многолетний опыт эксплуатации подтвердил безаварийную работу резервуаров, изготовленных этим методом. [c.162]
Конструкционные оборудование нефтехимических и нефтеперерабатьшающих заводов, делятся на углеродистые, низколегированные и легированные. Диаграмма, представленная на рисунке 1.3.1, иа примере ОАО Салаватнефтеоргсинтез иллюстрирует распределение единиц оборудования по маркам стали. Выбор марки стали требует у чета множества факторов, из которых наиболее важны максимальная и минимальная температуры стенки аппарата в процессе эксплуатации, поскольку механические свойства сталей при высоких и низких те.мпературах изменяются в широких пределах. При повышении температуры предел текучести сталей падает, поэтому допускаемые напряжения должны бьпъ меньше, чем при нормальных условиях. [c.11]
Как видно из рнс. 15, а при повышении температуры до 200° С заметного изменения предела текучести сталей марок Ст.1—Ст.6 ие наблюдается начиная с этой температуры величина предела текучести резко падает. Предел прочности этих же сталей (рис. 15, б) вначале повышается, ири 200—300° С достигает максимума и с далы ейшим повышением температуры—понижается. [c.30]
Температура нагрева продуктов при перегонке иа трубчатых установках достигает 430° С. Использование углеродистой кон-струкционкой стали становится менее экономичным, удельных расход ее на единицу мощности установок растет вследствие значительного снижения предела текучести стали и допускаемых напряжений при повышении температуры. Появляется потребность в сталях повышенной прочности и жаропрочных. Последующее развитие крекинг-процесса вызвало строительство установок в соответствии с различными видами процессов переработки нефти. Температура стенки аппаратов из углеродистой сталп выше 475° С не допускается по причине технико-экономической нецелесообразности, а при более высоких температурах (около 600—650° С) вследствие потери упругих свойств. При высоких температурах применяются конструкционные низколегированные, среднелегированные и высоколегированные стали, часто с особылш свойствами. [c.6]
При нагрузках, не превышающих расчетные, эксплуатационные напряжения в пределах пяти нижних поясов в большинстве точек не превышают 230 МПа. Однако в некоторых точках I, а также IV поясов экспериментальные величины напряжений превышают предел текучести стали марки ВСтЗ. [c.49]
Дисперсионнотвердеющие нержавеющие стали подвергались напряжениям, эквивалентным от 35 до 85 % их пределов текучести. Стали экспонировались в морской воде на поверхности, на глубине 760 и 1830 м в течение различных периодов времени. Данные об этих испытаниях приведены в табл. 126. Для некоторых сплавов в целях наложения на них остаточных напряжений в центре образцов с размерами 15,2х Х30,5 см были сделаны круговые сварные швы с неснятым напряжением диаметром 7,6 см. В других образцах былп сделаны поперечные стыковые швы с неснятым напряжением в целях имитации напряжений, возникающих в процессе конструирования или промышленного производства. Эти остаточные напряжения были многоосными в отличие от одноосных напряжений с точно вычисленными значениями, которым подвергались образцы из табл. 125. Кроме того, значения этих остаточных напряжений было невозможно определить. Образцы со сварными швами экспонировались в морской воде в тех же условиях, что и образцы, приведенные в табл. 125. Результаты испытаний приведены в табл. 126. [c.351]
Прн рабочей частоте 5000 об/мин напряжение в металле замковой части диска ротора ТВД достигает 134,4 МПа. Предел текучести стали 20Х12ВМФ при таком напряжении будет превышен прн температуре металла около 650 °С. Такая температура возможна прн отключении охлаждения диска ротора. Для безаварийной эксплуатации турбины необходимо обеспечить надежную работу системы охлаждения турбины и не допускать повышения температуры на входе в турбину. [c.366]
Определение предела текучести стали ЭК-181 при испытаниях на растяжение кольцевых образцов | Леонтьева-Смирнова
1. Стратегия развития атомной энергетики России в первой половине XXI в. — М.: ФГУП «ЦНИИ атоминформ», 2001.
2. Федеральная целевая программа «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010 — 2015 гг. и на перспективу до 2020 г.».
3. Сараев О. М., Ошканов H. H., Зродников А. В. и др. Опыт эксплуатации и перспективы дальнейшего развития быстрых натриевых реакторов / Атомная энергия. 2010. Т. 108. Вып. 4. С. 191 — 197.
4. Рачков В. И., Поплавский В. М., Цибуля А. М. и др. Концепция перспективного энергоблока с натриевым реактором БН-1200 / Атомная энергия. 2010. Т. 108. Вып. 4. С. 201 — 206.
5. Целищев А. В., Агеев В. С., Буданов Ю. П. и др. Разработка конструкционной стали для твэлов и ТВС быстрых натриевых реакторов / Атомная энергия. 2010. Т. 108. Вып. 4. С. 217 -222.
6. Кобылянский Г. П., Новоселов А. Е. Радиационная стойкость циркония и сплавов на его основе: справочные материалы по реакторному материаловедению / Под ред. В. А. Цыканова. — Димитровград: ГНЦ РФ НИИАР, 1996. — 176 с.
7. Федотов П. В., Костюхина А. В., Лошманов Л. П. Влияние нейтронного облучения на поверхность течения сплава Э110 / Ядерная физика и инжиниринг. — 2013. Т. 4. № 8. С. 689 — 694.
8. Измалков И. H., Лошманов Л. П., Костюхина А. В. Механические свойства сплава Э110 при температурах до 1273 К / Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2013. № 2. С. 64 — 70.
9. Прочность, устойчивость, колебания: Справочник в 3 томах / Под ред. И. А. Биргера и Я. Г. Пановко. Том 1. — М. Машиностроение, 1968. -323 с.
10. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. В 2 частях. Изд. 3-е, перераб. и доп. Ч. 2. — М.: Машиностроение, 1974. — 368 с.
11. Дрейпер H., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. В 2 томах. Т. 1 / Пер. с англ. Ю. П. Адлера, В. Г. Горского. — М.: Финансы и статистика, 1986. — 369 с.
12. Третьяков А. В., Трофимов Г. К., Курьянова М. К. Механические свойства сталей и сплавов при пластическом деформировании. Карманный справочник. — М.: Машиностроение, 1971. — 64 с.
13. Панин А. В., Леонтьева-Смирнова М. В., Чернов В. М., Панин В. Е., Почивалов Ю. И., Мельникова Е. А. Повышение прочностных характеристик конструкционной стали ЭК-181 на основе многоуровневого подхода физической мезомеханики / Физическая мезомеханика. 2007. Т. 10. № 4. С. 73 — 86.
14. Панин А. В., Перевалова О. Б., Синякова Е. А., Почивалов Ю. И., Леонтьева-Смирнова М. В., Чернов В. М. Влияние ультразвуковой обработки на эволюцию микроструктуры фер ритно-мартенситной стали в процессе механического нагружения. I. Зона однородной деформации / Физика и химия обработки материалов. 2011. № 4. С. 83 — 91.
15. Панин А. В., Ветова Н. А., Синякова Е. А. Влияние облучения ионными пучками Zr+ на структуру и механические свойства стали ЭК-181 / Современные техника и технологии: сборник трудов XVIII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Т. 3. — Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2012. С. 337 — 338.
16. Панин А. В., Мельникова Е. А., Превалова О. Б., Почивалов Ю. И., Леонтьева-Смирнова М. В., Чернов В. М., Иванов Ю. Ф. Формирование нанокристаллической структуры в поверхностных слоях стали ЭК-181 в процессе ультразвуковой обработки / Физическая мезомеханика. 2009. Т. 12. № 2. С. 83 — 93.
17. Леонтьева-Смирнова М. В., Агафонов А. H., Ермолаев Г. Н. и др. Микроструктура и механические свойства малоактивируемой ферритно-мартенситной стали ЭК-181 (RUSFER-EK-181) / Перспективные материалы. 2006. № 6. С. 40 — 52.
18. Третьяков А. В., Зизин В. И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. 2-е изд. — М.: Металлургия, 1973. -224 с.
19. Крагельский И. В., Виноградова И. Э. Коэффициенты трения: Справочное пособие. -М.: Машгиз, 1962. -220 с.
20. Морозов Е. М., Муйземнек А. Ю., Шадский А. С. ANSYS в руках инженера. Механика разрушения. — М.: ЛЕНАНД, 2010. — 456 с.
21. Котов А. Г. САПР изделий из композиционных материалов. Моделирование процессов деформирования и разрушения в среде ANSYS: учебное пособие. — Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. -351 с.
Предел текучести металла при сварке
Предел текучести металла при сваркеПредел текучести металла обуславливается его свойствами деформироваться без увеличения нагрузки. Иными словами после воздействия на металл определенной силы, наступает момент когда прикладывать усилия не приходится а деформация продолжает расти. Испытания проводятся различными методами.
- Скручивание сваренных элементов.
- Сжатие под большим давлением постепенно и на удар.
- Растягивания деталей на установках.
- На излом проверят градус изгиба.
- Усталость шва при многократном динамическом давлении.
Каждый шов проходит такие испытание перед тем как запустить в производство. В теории расчет ни когда точно не совпадет с итогами испытания. К примеру на рисунке изображен график на котом проведена идеограмма испытания металла условно. Точка предела текучести обозначена на ней.
Выпускаемые углеродистые стали у нас в России проходят ГОСТ проверку. Там можно посмотреть предел текучести стали в таблице. Это относится к качественным и высоко качественным сталям с ГОСТ 1050-88.
Во втором столбце ниже механических свойств указаны параметры предела текучести стали по маркам. Так же можем наблюдать и временное сопротивление. Часто эти стали используют в производстве стержней для электродов. На примере всем известная марка МР-3Т со стержнем марки стали 25 имеющий временное сопротивление (46) как в таблице в третьем столбце. Прокат из легированной конструкционной стали соответствующие ГОСТ 4543-71 имеют свои механические свойства в таблице №6 от страницы 13 до страницы 20.
Для чего же делают все расчеты сварочных швов в ответственных конструкциях? Все обуславливается использования сталей с различными свойствами и пределами текучести. Расчет сварочного шва делают с запасом. Учитывают не однородность свариваемости. Остаточное напряжение в около шовной зоне. Использование разнородных металлов. Глубину сплавления по шву. Для этого есть различные типы и виды узлов сварки.
Предел текучести это отправная точка к временному сопротивлению и разрушению металла шва. Или приводит к деформациям. После чего металл в этом месте остается с измененной структурой и другими механическими свойствами. Этот факт учитывают в первую очередь а потом уже предел прочности.
Влияние Предел текучести — Энциклопедия по машиностроению XXL
Рис. 3.4.7 иллюстрирует влияние предела текучести на ип-тенсивность затухания возмущения в мишени из железа. Здесь кривые о (г) характеризуют максимальные напряжения, достигаемые на глубине г при различных скоростях удара. При этом использовались уравнения кинетики фазовых переходов в виде [c.281]Влияние предела текучести на износостойкость стали при ударе и скольжении также различно при ударе по абразиву в хрупкой и вязкой области влияние предела текучести стали на ее износостойкость неоднозначно, при скольжении в хрупкой и вязкой областях разрушения с увеличением предела текучести износостойкость стали растет. Это вполне закономерно, так как характер зависимостей твердости и предела текучести от температуры отпуска примерно одинаков. [c.179]
| Рис. 10. Влияние предела текучести (7 стали 45 на относительную долговечность Тодноосного напряженного состояния и электрохимического растворения при — 0.8 (кривая — расчетные значения) |
| Рис. 117. Влияние предела текучести металла на толщину слоя смазки |
ВЛИЯНИЕ ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ СТАЛИ НА СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ СЕРОВОДОРОДНОМУ РАСТРЕСКИВАНИЮ [c.85]
Необходимо отметить, что согласно литературным данным на склонность стали к сероводородному растрескиванию большое влияние оказывают ее прочностные характеристики, особенно предел текучести. Считают [9—12 и др.], что при значениях предела текучести ниже определенной величины стали вообще не подвергаются сероводородному растрескиванию. Суммированные [13] данные о влиянии предела текучести стали на ее склонность к сероводородному растрескиванию представлены на рис. 8.10. При значении предела текучести ниже 53 кгс/мм сталь не подвержена сероводородному растрескиванию в самых жестких условиях. В других источниках называют еш,е большие величины [c.273]
Предел текучести в большей степени определяет тенденцию стали к водородному растрескиванию, чем ее твердость. Как видно на рис. 18, влияние предела текучести имеет весьма ярко выраженный характер (варьируется процент разрушенных образцов). [c.36]
Следует указать на несоответствие полученных результатов ряду литературных данных. Согласно последним при значениях твердости и предела текучести ниже определенных величин стали вообще не подвергаются сероводородному растрескиванию. Суммированные [150] данные о влиянии предела текучести стали на ее склонность к сероводородному растрескиванию представлены на рис. 43. При ао,2сероводородному растрескиванию в самых жестких условиях. В других источниках [c.71]
| Фиг. 11. Влияние предела текучести на фактическую площадь касания при упруго-пластическом контакте. |
Следует отметить, что в момент страгивания трещины возможно значительное пластическое деформирование конструкции, при котором диссипация энергии может оказать существенное влияние на кинетику трещины. При развитии трещины в подавляющем большинстве случаев пластическая деформация локализована у вершины движущейся трещины. Формулировка энергетического баланса в виде уравнения (4.75) дает возможность проводить анализ развития трещины в упругой постановке, поскольку диссипация энергии у вершины движущейся трещины включена в 2ур. Таким образом, необходимо решать упругопластическую задачу до момента старта трещины, а при анализе ее развития можно использовать решение упругой задачи. Такое моделирование кинетики можно осуществить путем завышения предела текучести материала после старта трещины. [c.246]
Влияние скорости деформации. При увеличении скорости нарастания нагрузки, и следовательно скорости роста напряжения и деформации, все материалы, находящиеся в пластическом состоянии, обнаруживают общую тенденцию к увеличению сопротивляемости деформированию. Чем выше скорость деформирования, тем выше предел текучести и временное сопротивление. Особенно сильно зависят от скорости нагружения механические свойства пластмасс и других органических материалов. У металлов влияние скорости нагружения заметно проявляется лишь при значительной разнице в скоростях. [c.112]
Влияние термической обработки. Закалка стали значительно повышает ее твердость, предел текучести и предел прочности, но сильно снижает пластичность. Модуль упругости стали закалка практически не меняет, Если нужна высокая поверхностная твердость [c.113]
На рис. 5.13 видно, что резкое снижение временного сопротивления для зоны термического влияния наблюдается при уровне накопления усталостных повреждений более 0,5, а условный предел текучести до уровня накопления усталостных повреждений, равного 0,5 незначительно возрастает, а затем снижается. [c.341]
Степень влияния местных напряжений на прочность детали существенно зависит от характера нагружения и материала. При расчете конструкции из пластичных материалов, работающей в условиях статического нагружения, местными напряжениями пренебрегают. Это объясняется тем, что при росте нагрузки напряжения в зоне концентрации, достигнув предела текучести, не возрастают до тех пор, пока во всех соседних точках они не достигнут того же значения, т. е. пока распределение напряжений в рассматриваемом сечении не станет равномерным. Иначе обстоит дело при циклически изменяющихся напряжениях. Многократное изменение напряжений в зоне концентратора напряжений приводит к образованию и дальнейшему развитию трещины с последующим усталостным разрушением детали. Для оценки снижения прочности вводят эффективный коэффициент концентрации, равный отношению предела выносливости о 1 гладкого полированного образца к пределу выносливости образца с концентратором напряжений, абсолютные размеры которого такие же, как и у гладкого образца [c.248]
Влияние температуры. С увеличением температуры сопротивление усталости детали уменьшается. Например, для углеродистых сталей ориентировочно считают, что заметное снижение предела текучести а . наступает при температуре свыше 200°С. При температуре 300°С это снижение достигает 30. .. 40%, а затем предел текучести понижается примерно на 10% с повышением температуры на 100°С. [c.155]
В [5] отмечается, что вследствие дис )фузии водорода в металл происходит разрыв некогерентных границ матрица-включение с образованием микротрещин, давление водорода в которых достигает 200-400 МПа, что сопоставимо с пределом текучести низкоуглеродистых конструкционных сталей. Под воздействием внутреннего давления происходит рост и слияние микротрещин с последующим разрушением металла. Растрескивание стали начинается при концентрации водорода 0,1-10 ppm и протекает при температуре от минус 100 до 100 С. В [4, 5] исследовано влияние парциального давления сероводорода на скорость коррозии и водородное расслоение стали. Последнее активно начинается при парциальном давлении серо- [c.12]
Данные многочисленных исследований свидетельствуют об отрицательном влиянии водорода на механические свойства стали, однако единое мнение о характере и степени их изменения в результате наводороживания отсутствует. Так, согласно [11], предел текучести стали уменьшается, а согласно [14], напротив, увеличивается. Предел прочности при поглощении водорода снижается незначительно [15, 14], а в результате наводороживания металла в сероводородных растворах существенно уменьшается [И, 12, 16]. [c.15]
Чаще всего с уменьшением размера зерна предел выносливости возрастает, хотя в ряде работ показано, что измельчение структуры металла не всегда приводит к изменению долговечности. При анализе влияния структурного фактора на циклическую прочность необходимо иметь в виду, что закономерности разрушения металлических материалов при циклическом и ст атическом нагружении имеют много общего. Для циклического нагружения зависимость предела усталости стк от размера зерна можно выразить формулой, аналогичной зависимости предела текучести от размера зерна [c.78]
Концентраторы напряжений оказывают разное влияние на хрупкие и пластичные материалы. Если изготовить пластинку с отверстием (рис. 4.7.1) из пластичного материала, например Ст. 3, и подвергнуть ее растяжению, то при достижении максимальными напряжениями предела текучести опасном сечении нагрузятся до предела текучести. [c.61]
Муто, Радхакришнан. Влияние предела текучести и размера зерна на пороговый размах коэффициента интенсивности напряжений и предел выносливости//Теор. основы инжен. расчетов.— 1986.—№ 2.— С. 75—82. [c.372]
Полученные кинетические кривые указывают на снижение СРТ при возрастании размера зерна в титановых сплавах (Ti-115 и Ti-155) (рис. 5.1). Происходит снижение СРТ при возрастании предела текучести материала при одинаковом размере зерна. Изменение размера зерна на порядок, например в случае Ti-115, оказывает также существенное влияние на СРТ при почти неизменной величине предела текучести материала (табл 5.1 и рис. 5.1). Однако при малых размерах зерен влияние предела текучести неоднозначно. При скоростях менее 3×10 мм/цикл имеет место снижение скорости в случае возрастания предела текучести материала, а далее наблюдается инверсия и СРТ начинает возрастать. Важно подчеркнуть, что при разных вариантах термообработки сплава, вариации химического состава, приводивших к изменениям размера зерна и предела текучести, имело место эквидистантное смещение кинетических кривых. [c.241]
| Рис. 80. Влияние предела текучести Д7ХФШ при трении по абразиву |
Такая трактовка совместного влияния примесей и водорода на разрушение в рамках известной декогезионной теории водородной хрупкости Трояно — Ориани [209, 213] позволяет качественно объяснить уменьшение /С , рост скорости трещин I/ (К) при развитии отпускной хрупкости и влияние предела текучести. Однако при объяснении постулированного значительного снижения когезивной прочности железа под действием водорода возникают определенные трудности. Дело в том, что убедительных. подтверждений такого «декогезионного» влияния водорода в вершине трещины в настоящее время нет [ 208, 214]. Если принять Для грубой оценки возможного эффекта, что снижение когезивной прочности а-жв-леза при насыщении водородом соответствует изменению модуля сдвига, то по экспериментальным данным [215] получим (1/0(.1 =—8-10 /% (ат.) Н. V [c.178]
Изменение свойств вследствие облучения сильнее всего проявляется у литой стали предел текучести повышается или исчезает, твердость и прочность возрастают, а вязкость уменьшается. У слаболегированных сталей увеличивается температура при крутом падении вязкости в запиле (сопротивление при ударе образца с запилом). Длительное облучение приводит к охрупчиванию сосудов, находящихся под давлением. Аустенитные стали подвергаются только незначительному влиянию предел текучести повышается в три раза, прочность — на 25%, и может образоваться ферритная составляющая [332]. [c.117]
При нагружении на линии продолжения трещины в пластической зоне отношение напряжений, параллельных трещине, к напряжениям, ориентированным перпендикулярно к ней, q — = OyylOxx практически постоянно (q — 0,62 0,68) и не зависит от предела текучести, модуля упрочнения (в варьируемом диапазоне), степени нагружения материала у вершины трещины (рис. 4.3), а также от параметра нагружения a = KnlKi. На рис. 4.3 штриховыми линиями отмечена некорректная область, где начальное притупление трещины оказывает влияние на НДС (представлен случай, когда Кп — 0). Вне этой области НДС отвечает нагружению бесконечно острой трещины с притуплением, равным нулю. Полученные результаты в части влияния притупления на НДС достаточно хорошо соответствуют решению по теории линий скольжения, где жесткость напряженного состояния, а следовательно, и параметр q перестает изменяться, начиная с у > 3,81 р (р — радиус притупления трещины) [124]. [c.205]
Структурные превращения не оказывают значительного влияния на ОСП, так как в зоне термического влияния (в области, ограниченной интервалом от О до 5 мм от шва), где происходили структурные превращения, действуют поперечные и продольные напряжения, близкие к пределу текучести основного металла. Данный факт связан с многопроходностью сварки и может быть объяснен следующим образом. [c.287]
При расчете на статическую прочность предельные контактные напряжения но условию полного отсутствия течения материала выбирают для вязких материалоп равными 20, (а, — предел текучести). Местные течения материала в одной точке внутри тела не опасны и не заметны. Если имеет место хотя бы небольшое перекатывание и, следовательно, нёт оснований опасаться влияния времени на образование остаточных деформаций, предельные контактные напряжения можно повысить до 3(1,, а для круговой площадки контакта даже несколько выше. [c.142]
Поверхностные дефекты могут оказывать влияние на водородное или сульфидное растрескивание умеренно- или высокопрочных сталей в пластовых водах, содержащих сероводород. Заметная склонность к растрескиванию в этих средах вынуждает значительно понижать допустимый уровень напряжений, чтобы избежать опасности разрушения. Так как прочность стали связана с ее твердостью, эмпирически определенная максимально допустимая твердость по Роквеллу Нц = 22, что отвечает пределу текучести примерно 1,37 МПа [631. Критические значения коэффициента интенсивности напряжения для стали в водных растворах HjS свидетельствуют, что указанный уровень твердости соответствует критической глубине поверхностных дефектов около 0,5 мм [64]. При такой или большей глубине дефекты дают начало быстрому развитию трещин. Поскольку избежать дефектов такого размера практически очень трудно, в нефтяной промышленности, имеющей [c.153]
С использованием методов растровой электронной микроскопии, метода скользящего пучка рентгеновских лучей и измерения микротвердости исследованы процессы самоорганизации дислокационной и субаереиной структуры в приповерхностных слоях и внутренних объемах технически чистого рекристаллизованного Мо при статическом растяжении и влияние магнетроиного покрытия Мо-45, 8Re-0,017 на особенности протекания этих процессов вблизи поверхности. Исследования проводили на образцах, растянутых до деформаций, соответствующих пределу пропорциональности, нижнему пределу текучести н пределу прочности. [c.185]
Эффект увеличения прочности кристалла каменной соли, а также экспериментально наблюдаемые многочисленные случаи преждевременного разрушения конструкций и сооружений при напряжениях, меньших условного предела текучести Оо,2, явились 1 унмым показателем недостаточности развитых представлений о прочности как о постоянной материала. Поэтому при исследовании прочности, начиная с работ А. А. Гриффитса, Дж. И. Тейлора, Е. О. Орована, Дж. Р. Ирвипа и др., появилось повое иап-равление, в основе которого лежит детальное изучение самого процесса разрушения. Так как разрушение происходит в результате развития содержащихся в теле реальных дефектов, при оценке прочности нужен учет имеющихся в теле трещин и опре-делепие их влияния на прочность. [c.9]
Установлено, что нормальные напряжения почти не оказывают влияния на пластическое течение кристаллов. Таким образом, пластическая деформация происходит под действием касательных напряжений. При этом, как показано экспериментально, напря-нпределу текучести, сильно меняется в зависимости от ориентации кристалла, однако если согласно (4.38) это напряжение преобразовать в приведенное напряжение, то результирующее напряжение сдвига является константой данного материала (типичные значения этого напряжения обычно находятся в пределах (/ » — —Ю- ) G. Другими словами, пластическая деформация начинается в том случае, когда скалывающее напряжение -X превышает некоторое критическое значение, характерное для данного материала и данной системы скольжения. Этот закон постоянства критического скалывающего напряжения впервые на основании экспериментальных данных был сформулирован Е. Шмидом и В. Боасом. В соответствии с этим законом, если образец находится под действием постепенно возрастающей нагрузки, то скольжение мало до тех пор, пока скалывающие напряжения не превзойдут определенного предельного значения, которое, например, при комнатной температуре для Си (плоскости скольжения 111 , направления скольжения ) равно 0,49-10 Па, а для А1 (системы скольжения 111 , ) и Zn (системы скольжения 0001 , )—соответственно 0,78-10 и 0,18-10 Па. [c.132]
Приведенное решение задачи о внедрении тела в среду построено на основании результатов, полученных А. А. Ильюшиным, А. Ю. Иш-линским, В. В. Соколовским и др. [13, 20, 45]. Оно пригодно для скоростей встречи V построении решения задачи о внедрении тела в случае большой скорости встречи, основанном на том экспериментальном факте, что в процессе внедрения тела (при нагрузке) плотность среды изменяется от ро до р, после же внедрения (при разгрузке) изменение плотности незначительно, им можно пренебречь и считать плотность постоянной, равной р. X. А. Рахматулин и А. Я. Сагомонян [40], использовав идею А. А. Ильюшина, ввели в рассмотрение пластический газ, представляющий собой сплошную пластическую среду, плотность Ро которой при нагрузке изменяется по некоторому закону, а затем остается постоянной, равной р. Моделью пластического газа описываются грунт, бетон, кирпич и металлы в случае, если напряжения в них значительно превосходят динамический предел текучести СГ.Г.Д. Экспериментально установлено сильное влияние сил трения на процесс внедрения тела в перечисленные среды, поэтому при решении рассматриваемой задачи их следует учитывать. [c.179]
Задача 9-8. Определить диаметр опасного сечения промежуточного вала (рис. 9-19) цилиндрического косозубого редуктора. Вал изготовлен из стали с пределом текучести =34 кГ/мм , требуемый коэффициент запаса прочности [л]=2,5. При расчете применить гипотезу наибольших касательных напряжений. Влиянием продольных и поперечных сил пренебречь. Вал передает мощность Л =40 л. с. при угловой скорости =300 об1мин. [c.227]
Рпс. 3.5.4. Зависимости от скорости соударения (ударник — железная пластина толщиной 3 мм, 0 90 мм и 130 мм) расчетной глубины б зоны полного фазового перехода (кривые i и 2) в мишени из армко-железа, экснеримен-тальной глубины бя зоны постоянного упрочнения (прямоугольники) и лаг-ранжевой глубины 6hl последней зоны (крестики). Размеры прямоугольников и крестиков соответствуют возможной погрешности измерений. Кружочком отмечен результат эксперимента с меньшим диаметром мишени (90 мм), когда при скорости удара Vq — 2,8 км/с проявляется влияние боковой раз-гру.зки па процесс фазового перехода а->-е в центре образца (см. рис. 3.5.5). Линия 1 соответствует расчету с кинетикой фазового перехода сс 8 в виде (3,1.19) с коэффициентами (3.5,1) и значением предела текучести по закону линейного упрочнения (1.10.21) с параметрами т о = 0,36 ГПа, М = 0,014, а штриховая линия 2 — расчету с линейной кинетикой (1.10.28) с = 6,5 с/м» и фиксированным значением сдвигового предела текучести т = 0,36 ГПа [c.287]
Определение предела текучести стали — Токарь Мастер
Определение предела текучести стали, чугуна: измерение напряжений
Прокатное производство включает изготовление различных марок конструкционных сталей, каждая из которых обладает индивидуальными механическими характеристиками.
В процессе эксплуатации стальные сооружения подвергаются в разной степени нагрузкам на изгиб и сжатие, растяжение и удары и только от механических свойств металлов зависит степень их прочность и стойкость.
Чтобы сделать правильные расчеты, применяется специальная расчетная формула.
Виды деформации стали
Тяжелым конструкциям необходимо придать дополнительную прочность и надежность, в связи с чем к свойствам используемых для изготовления металлов предъявляются особые требования.
При расчете размеров конструкции важную роль играет снижение массы сооружения без потери его несущих способностей. Используемые для изготовления металлических сооружений конструкционные металлы должны иметь достаточно высокие показатели прочности и хорошую пластичность.
Сопротивляемость деформации и разрушению под воздействием внешней нагрузки во многом зависит от того, какими свойствами наделен металл. В производстве стали деформация встречается в двух видах: упругой и пластической.
Описываются они разными характеристиками. Сегодня для испытания образцов металлов применяют несколько методик, которые определяют значения пропорциональности, упругости, текучести и других важных характеристик.
Современное определение стали звучит как твердый сплав железа с углеродом, процентным содержанием которого и обусловлены основные свойства стали.
Чем выше содержание углерода, тем металл прочнее и тверже, но ниже вязкость и пластичность.
Поэтому так важно правильно рассчитать соотношение этих показателей для производства тех или иных изделий из стали. Маркировать стали принято каждую группу по-разному.
Конструкционная углеродистая сталь маркируется буквами Ст и цифровыми обозначениями от 1 до 9, а также двумя буквами в зависимости от способа раскисления металла (ст.3кп):
- кп — кипящая;
- пс — полуспокойная;
- сп — спокойная.
Качественная — цифрами двузначными: 05,08,10,… 45…, что указывает на среднее количество углерода в составе стали.
Предел текучести стали
Граничный предел пропорциональности стали определяет напряжение, при котором действует закон Гука, согласно с которым деформация, возникшая в упругом теле, пропорциональна приложенной к нему силе. Если напряжение меняется, этот закон теряет актуальность.
Немаловажной физической величиной, участвующей в формуле при расчете прочности конструкции, является предел текучести металла.
Когда металлом достигается физический предел, даже самое малое поднятие напряжения способно удлинить образец, который начинает как бы течь, откуда и произошло его обозначение.
В связи с этим граница текучести стали показывает критическое напряжение, когда материал деформируется уже без увеличения нагрузки.
Единица, в которой производится измерение предела текучести будет называться Паскаль (Па) либо МегаПаскаль (МПа). Преодолевший этот предел образец получает необратимые изменения — разные степени деформации, нарушение структурного строения кристаллической решетки, различные пластические преобразования.
Если при увеличении растягивающего значения силы пройдена площадка текучести, деформация металла усиливается. На диаграмме это представляется в виде горизонтально расположенной прямой, на которой может измеряться напряжение, максимально получаемое после остановки усиления нагрузки. Так называемый предел текучести Ст 3 составляет 2450 кг/кв.см.
Этот показатель отличается у различных марок стали и может меняться от применения разных температурных режимов и типов термообработки. Чтобы иметь возможность точно определить предел текучести стали таблица используется, где в зависимости от марок сталей приведены величины пределов текучести. Как пример, по данным таблицы сталь 20 предел текучести имеет 250 МПа, а сталь 45 — 360.
При проведении испытаний некоторые металлы на диаграмме имеют слабо выраженную площадку тягучести либо она вовсе отсутствует, поэтому к ним применяется условный предел тягучести.
Материалы, на которые распространяется применение условного предела текучести, это в основном представители высокоуглеродистых и легированных сталей, дюралюминий, чугун, бронза и многие другие.
Предел упругости
Весьма важной составляющей механического состояния металлов является предел упругости стали. С его помощью устанавливается предельно допустимый уровень нагрузок при эксплуатации металла, когда им испытываются незначительные деформации в допустимых значениях.
Конструкционные материалы в себе должны сочетать высокие пределы тягучести, при которых они смогут выдерживать серьезные нагрузки, и иметь достаточную упругость, которая обеспечит необходимую жесткость изготовляемой конструкции. Сам модуль упругости обладает одинаковой величиной при растяжении и сжатии, но иметь совершенно отличные пределы упругости — так что одинаково жесткие конструкции диапазоны упругости могут иметь абсолютно разные.
При этом металл в упругом состоянии макропластических деформаций не получает, хотя в его отдельных микроскопических объемах локальные деформации вполне могут иметь место. Благодаря им происходят неупругие явления, серьезно воздействующие на поведение отдельных металлов в состоянии упругости.
При этом нагрузки статические приводят к возникновению гистерезисных явлений, релаксации и упругого последействия, в то время как нагрузки динамические провоцируют появление внутреннего трения.
В процессе релаксации происходит несанкционированное снижение напряжения. Это приводит к проявлению остаточной деформации, когда активная нагрузка уже не действует. При наступлении внутреннего трения происходит потеря энергии. Это вызывает необратимые последствия, которые характеризуются декрементом затухания и коэффициентом внутреннего трения.
Такие металлы активно гасят вибрацию и сдерживают звук, например, серый чугун, или свободно распространяют колебания, как это делает колокольная бронза. С повышением температурного воздействия упругость металлов снижается.
Предел прочности
Предел прочности стали, который возникает после прохождения его границы текучести и позволяет образцу вновь начать сопротивление к растяжению, отображается на графике линией, которая поднимается уже более полого.
Наступает фаза временного сопротивления действующей постоянной нагрузке. При применении максимума напряжения в точке предела прочности возникает участок, где площадь сечения уменьшается, а шейка значительно сужается.
При этом испытываемый образец разрывается в наиболее узком месте, его напряжение снижается и значение величины силы уменьшается. Предел прочности для ст. 3 составляет 4000−5000 кГ/кв.см.
Источник: https://remoskop.ru/opredelenie-predela-tekuchesti-stali-vspomogatelnyie-tablitsyi.html
Способ определения предела текучести материала
Изобретение относится к области испытания физико-механических свойств материалов, в частности к способам определения предела текучести металлов.
Известен способ определения предела текучести материала по твердости на пределе текучести, заключающийся в получении на образцах определенного материала зависимости между твердостью, измеренной с созданием в лунке деформации, равной 0,2%, и пределом текучести образцов, измерении твердости на пределе текучести и определении предела текучести с помощью полученной зависимости (см. Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости. – М.: Машиностроение, 1979. – С.61-64).
Недостатком известного способа является сложность определения точной величины степени деформации в лунке вследствие неравномерности распределения напряжений и деформаций на ее поверхности.
Известен способ определения предела текучести в процессе статических испытаний на растяжение, заключающийся в отборе фрагментов материала из изделия, изготовлении из них образцов, нагружении образцов в разрывной испытательной машине, измерении деформации образца в процессе нагружения и определении напряжения, считающегося пределом текучести, при достижении площадки текучести, характеризуемой ростом деформации без заметного увеличения нагрузки (см. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. – С.53).
Недостатками известного способа являются:
1. Низкая точность определения предела текучести при отсутствии площадки текучести у материала (например, при испытании малоуглеродистых конструкционных сталей). При этом определяют условный предел текучести при относительной деформации образца 0,2% с применением тензометров или по диаграмме растяжения графическим способом.
2. Невозможность оценки стабильности свойств материала изделия, для чего требуется проведение испытаний серии образцов, так как в ходе однократного испытания определяется среднее значение предела текучести в наименее прочном сечении данного образца.
Известен способ определения предела текучести материала, взятый нами за прототип, заключающийся в подготовке гладкой поверхности образца материала, ступенчатом нагружении образца внешней растягивающей силой, выявлении полос скольжения, регистрации того значения силы, при котором наблюдается появление полос скольжения [см. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. – С.57].
Недостатками прототипа являются:
1. Необходимость наличия сложного оптического оборудования.
2. Невозможность наблюдения за процессом в динамике его развития, так как для выявления полос скольжения требуется химическое травление поверхности.
В качестве разъяснения сути предлагаемого способа приводим следующее.
Известно, что начало пластического течения, характеризуемое пределом текучести, связано со сложными процессами изменения дислокационной структуры материала при увеличивающихся напряжениях.
В силу того, что структура конструкционных сталей разнородна (гетерогенна), разные участки образца имеют различные характеристики механических свойств, разную сопротивляемость деформациям, то есть различные величины предела текучести.
Поэтому, в ходе нагружения образец деформируется неоднородно. Это приводит к тому, что при поэтапном приращении нагрузки в каком-то наиболее слабом месте образца появляются первичные системы (линии) скольжения, соответствующие начальным пластическим деформациям.
В других местах образца при данной нагрузке линий скольжения пока нет.
С увеличением нагрузки первичные линии скольжения появляются и в других местах образца, а в месте первого появления линии скольжения прогрессируют, число дислокаций увеличивается, появляются развитые нарушения, дефекты сплошности, соответствующие развитым пластическим деформациям.
Таким образом, величина нагрузки (или механические напряжения), при которой появляются линии скольжения в конкретном месте образца, характеризует предел текучести материала определенного конкретного места на образце.
При этом в месте с наибольшей концентрацией дислокации материал разупрочняется, что приводит к уменьшению микротвердости.
В другом месте материал может несколько упрочняться за счет блокирования дислокации примесными атомами, что приводит к увеличению микротвердости.
Происходит увеличение вариации микротвердости относительно первоначального (исходного – до нагружения) среднего значения, что можно выявить по увеличению дисперсии выборки измеренных значений.
Технической задачей изобретения является установление предела текучести материала путем измерения твердости взамен выявления линий скольжения оптическим способом.
Цель изобретения – оценка стабильности механических свойств материала по пределу текучести в ходе испытаний одного образца.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе определения предела текучести материала, включающем подготовку гладкой поверхности образца, ступенчатое нагружение образца внешней растягивающей силой, согласно изобретению, перед нагружением на поверхности образца размечают не менее трех областей измерения микротвердости, которую измеряют на каждой ступени нагружения, вычисляют дисперсию результатов измерений в каждой области и определяют предел текучести материала образца по увеличению дисперсии на величину не менее 20% от значения, полученного на предыдущем этапе нагружения.
Способ поясняется чертежом. На чертеже представлен эскиз образца 1, на котором изображены участки зажима 2 в захватах разрывной машины (на чертеже не показана), области измерения твердости 3 (№1, №2, №3, №4) и место разрушения образца 4.
Способ реализуется следующим образом.
Из фрагмента материала вырезают образец 1. Шлифованием готовят поверхность образца до гладкого состояния.
На подготовленной поверхности в пределах рабочей части образца длиной 2/3 от длины всего образца, размещенной по центру образца, отмечают не менее трех областей для измерения твердости. Зажимают участки зажима 2 образца 1 в захватах разрывной машины. Ступенчато нагружают образец.
При этом на каждом шаге нагружения в каждой из областей измеряют микротвердость поверхности не менее 50 раз. Замеры твердости делают произвольно по всей поверхности области, преимущественно в разных точках.
Считают дисперсию результатов измерения на каждом шаге нагружения в каждой области. При увеличении дисперсии на величину более чем 20% от значения, полученного на предыдущем шаге нагружения, считают, что в данной области металла достигнут предел текучести.
Пример
Необходимо определить предел текучести материала труб газопроводов, изготовленных из стали марки 17Г1С, не имеющей выраженной площадки текучести. Из трубы вырезают фрагмент металла и фрезерованием доводят его до формы параллелепипеда длиной 280 мм, шириной 50 мм, толщиной 5 мм.
Среднюю часть одной из сторон образца на длину около 200 мм шлифуют мелкозернистой наждачной бумагой до шероховатости поверхности не более Rz=10. С помощью маркера отмечают на шлифованной поверхности образца четыре области измерения твердости размерами 45×45 мм. Зажимают участки зажима 2 образца в захватах разрывной машины МР-100.
Ступенчато нагружают образец растягивающей нагрузкой с шагом 1,25 кН, при этом напряжения в образце ступенчато увеличиваются на 5,0 МПа. На каждом шаге нагружения измеряют микротвердость шлифованной поверхности в каждой из областей не менее 50 раз. С помощью программы Microsoft Excel определяют дисперсию результатов измерения твердости на каждом шаге нагружения в каждой области (см.
таблицу). Устанавливают, что при увеличении напряжения в образце с 330 до 335 МПа в области №2 дисперсия показаний микротвердости увеличивается с 59,236 до 75,822, т.е. изменение составляет более 28%. При этом считают, что в области №2 образца при напряжении 335 МПа достигнут предел текучести. Далее по полученным данным (см.
таблицу) определяют, что предел текучести металла в области №3 – 340 МПа, области №1 – 345 МПа, области №4 – 350 МПа. Таким образом, установлено, что предел текучести для данного материала может изменяться в пределах 335-350 МПа.
Дальнейшее увеличение нагрузки привело к разрушению образца. Место разрушения 4 проходит через область №2, в которой и зафиксирован минимальный предел текучести для данного образца материала. Графическим способом по величине относительной деформации 0,2% определили условный предел текучести всего образца, равный 370 МПа.
| Результаты вычислений дисперсии чисел твердости, измеренных на различных ступенях нагружения в четырех областях образца. | ||||
| Напряжения в образце, МПа | Дисперсия измеренных значений твердости | |||
| Область №1 | Область №2 | Область №3 | Область №4 | |
| 300 | 46,751 | 46,458 | 44,528 | 43,574 |
| 305 | 48,589 | 49,568 | 44,489 | 45,442 |
| 310 | 49,569 | 50,104 | 47,552 | 44,648 |
| 315 | 52,630 | 53,189 | 51,307 | 46,081 |
| 320 | 52,126 | 54,468 | 54,421 | 48,266 |
| 325 | 57,454 | 58,744 | 55,454 | 54,639 |
| 330 | 60,256 | 59,236 | 58,260 | 55,790 |
| 335 | 62,542 | 75,822 | 59,867 | 64,111 |
| 340 | 63,145 | 77,569 | 59,236 | 78,024 |
| 345 | 79,832 | 79,124 | 63,781 | 81,903 |
| 350 | 82,541 | 84,589 | 77,308 | 86,667 |
Эффект изобретения проявляется в том, что в ходе испытания одного образца с помощью статической растягивающей нагрузки возможно определить предел текучести для конструкционных материалов, к которым относятся трубные стали, не имеющие площадки текучести, оценить стабильность свойств испытываемого материала по расхождению установленных пределов текучести в пределах одного образца, упростить реализацию способа за счет применения не сложного измерительного оборудования.
Способ определения предела текучести материала, включающий подготовку гладкой поверхности образца и ступенчатое нагружение образца внешней растягивающей силой, отличающийся тем, что перед нагруженнием на поверхности образца размечают не менее трех областей измерения микротвердости, которую измеряют на каждой ступени нагружения, вычисляют дисперсию результатов измерений в каждой области и определяют предел текучести материала образца по увеличению дисперсии на величину не менее 20% от значения, полученного на предыдущем этапе нагружения.
Источник: http://www.FindPatent.ru/patent/233/2339017.html
Взаимосвязь напряжения текучести с твердостью и пределом прочности
Связь между напряжением текучести и пределом прочности устанавливается по зависимости между экстраполированным пределом текучести и σB. Поскольку по экстраполированному пределу текучести можно достаточно точно определить напряжение текучести для большинства материалов, начиная со степени деформации , то такое допущение можно считать оправданным.
Ниже рассмотрены зависимости между пределом прочности и экстраполированным пределом текучести кривых упрочнения при растяжении первого рода и при сжатии второго рода.
Экстраполированный предел текучести у кривых упрочнения первого рода при растяжениинаходится по пересечению касательной к кривой упрочнения в точке начала образования шейки с осью ординат.
У кривых упрочнения второго рода при сжатии экстраполированный предел текучести S0 (см. рис.
1) представляет собой напряжение, соответствующее по величине отрезку ординаты, отсекаемому прямой, являющейся продолжением участка III кривой упрочнения.
Согласно теоретическим выкладкам М. П. Марковца для материалов, у которых равномерное относительное поперечное сужение ΨB не более 0,15, разница между экстраполированным пределом текучести определеннымпо кривым упрочнения при растяжении, и пределом прочности σB не превышает 3%, а при ΨB до 0,2 — не более 7%. При этомвсегда должно быть меньше величины σB.
Теоретически установленную зависимость междуи σB М.П. Марковец подтвердил экспериментально.
Было показано, что независимо от рода материала (цветные и черные металлы), вида предшествующей термической обработки (отжиг, нормализация, закалка, закалка + отпуск) и прочности ( изучаемых материалов составлял 20-180 кГ/мм2) отношениедля материалов с до 15% близко к единице (рис. 1). Только для латуни и аустенитной стали ЭИ69, у которых величина ΨB доходит до 30%, это соотношение составляет 1,2-1,3.
П. Марковцем также была проведена большая работа по сопоставлениюи σB по экспериментальным данным других исследователей — Н. Н. Давиденкова, Кербера и Роланда.
Было установлено, что данные различных авторов, полученные экспериментально в разных лабораториях над огромным количеством металлов н сплавов (алюминии, меди и их сплавах, углеродистых и легированных сталях) при комнатных и повышенных температурах (от 20 до 300°С), подтверждают теоретически установленную закономерность для металлов и сплавов, у которых ΨB не превышает 15%.
Экспериментально определим взаимосвязь между экстраполированным пределом текучести при сжатии S0 и σB. В качестве исследуемого материала служили углеродистые и легированные горячекатаные и термически обработанные стали (табл. 1).
Кривые упрочнения строили по результатам осадки образцов с торцовыми цилиндрическими выточками. Результаты сравнения графически изображены на рис. 1, из которого видно, что между величинами S0 и σB независимо от марки изделия и вида, и режима предварительной обработки имеется линейная зависимость.
Математическая обработка экспериментальных данных показывает, что S0 в среднем меньше σB примерно на 6%, т. е.
Полученные экспериментальные данные согласуются с экспериментальными и теоретическими данными М. П. Марковца о зависимости между экстраполированным пределом текучести при растяжениии σB в том смысле, что S0 меньше σB примерно на ту же величину.
Таблица 1
Химический состав и вид предшествующей обработки сталей, для которых устанавливали зависимость между экстраполированным пределом текучести при сжатии S0 и пределом прочности σB
| 10 | Горячая прокатка | 0,11 | 0,45 | 0,21 | – | – | – |
| 15 | То же | 0,15 | 0,43 | 0,27 | – | – | – |
| 20 | » | 0,19 | 0,37 | 0,37 | – | – | – |
| 15Х | » | 0,13 | 0,42 | 0,32 | 0,90 | – | – |
| 20Х | » | 0,24 | 0,67 | 0,25 | 0,91 | – | – |
| 45Х | » | 0,44 | 0,61 | 0,19 | 0,90 | – | – |
| 12ХНЗА | » | 0,13 | 0,26 | 0,64 | 2,95 | – | |
| 12ХНЗА | Отжиг, нормализация | 0,16 | 0,40 | 0,36 | 0,66 | 2,81 | – |
| 40ХНМА | Отжиг, нормализация, улучшение (t0 mn=600°С) | 0,37 | 0,60 | 0,24 | 0,66 | 1,39 | 0,15-0,25 |
Зависимость между напряжением текучести и твердостью
На основании обработки экспериментальных данных установлены закономерности взаимосвязи:
- а) между S0 и твердостью исходного металла НВ;
- б) между S и твердостью сформированных образцов НВ’.
Напряжение текучести и экстраполированный предел текучести определяем по кривым упрочнения при сжатии, построенным по результатам осадки образцов с торцовыми цилиндрическими выточками. Твердость определяем обычным методом на твердомере типа ИТР с замером ее на торцах и по образующей.
Для определения зависимости между величинами S и НВ’ испытанию подвергали армко-железо, углеродистые и легированные стали, предварительно горячекатаные или термически обработанные (отжиг,
нормализация или улучшение). Вид предшествующей обработки и химический состав сталей, используемых при этих исследованиях, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Химический состав и вид предшествующей обработки материала, исследуемого для установления зависимости между S и НВ’
| Армко-железо | Горячая прокатка | 0,057 | 0,10 | 0,17 | – | – |
| Сталь 30 | Нормализация | 0,29 | 0,61 | 0,30 | – | – |
| » 40 | Нормализация, улучшение | 0,41 | 0,59 | 0,30 | – | – |
| » 50 | Горячая прокатка | 0,50 | 0,70 | 0,27 | – | – |
| 12ХНЗА | » » | 0,13 | – | 0,26 | 0,64 | 2,95 |
| 12ХНЗА | Отжиг, нормализация | 0,11 | 0,42 | 0,23 | 0,64 | 2,79 |
Результаты экспериментальных данных приведены на рис.
3, из которого видно, что для всех исследуемых материалов независимо от вида предшествующей обработки и всего диапазона степеней деформации между напряжением текучести и соответствующей твердостью сформированных образцов имеется линейная зависимость. При обработке опытных данных установлено, что эта зависимость может быть представлена в следующем виде:
Влияние исходной твердости на величину экстраполированного предела текучести при сжатии изучали на примере углеродистых и легированных термически обработанных (отжиг, нормализация, улучшение) и горячекатаных сталей (табл. 3). Экспериментальные данные графически изображены на рис. 4.
Таблица 3
Химический состав и вид предшествующей обработки материала, исследуемого для определения зависимости между экстраполированным пределом текучести при сжатии S0 и исходной твердостью НВ
| Сталь 40 | Отжиг, нормализация, улучшение (tотп=500, 600°С) | 0,41 | 0,59 | 0,30 | – | – | – |
| Сталь 45 | Отжиг, нормализация, улучшение (tотп=700, 600, 540°С) | 0,43 | 0,58 | 0,30 | – | – | – |
| Сталь 50 | Горячая прокатка | 0,50 | 0,70 | 0,27 | – | – | – |
| 15Х | Горячая прокатка | 0,13 | 0,42 | 0,32 | 0,90 | – | – |
| 20Х | Отжиг, нормализация, улучшение (tотп=600, 500, 400°С) | 0,19 | 0,59 | 0,30 | 0,88 | – | – |
| 40Х | Отжиг, нормализация, улучшение (tотп=500, 600°С) | 0,38 | 0,62 | 0,32 | 1,03 | – | – |
| 12ХНЗА | Улучшение (tотп=600°С) | 0,16 | 0,40 | 0,36 | 0,66 | 2,81 | – |
| 30ХГСА | Отжиг, улучшение (tотп=550°С) | 0,34 | 0,98 | 1,13 | 1,08 | – | – |
| 40ХНМА | Отжиг, нормализация, улучшение (tотп=600°С) | 0,37 | 0,60 | 0,24 | 0,66 | 1,39 | 0,25 |
На основании экспериментальных данных установлено, что с увеличением твердости исходных образцов экстраполированный предел текучести возрастает по следующей зависимости:
Следует учесть, что в реальных металлических телах твердость в разных точках тела может отличаться на несколько единиц, а точность измерения составляет 3% при испытании на твердомере Бринелля, поэтому зависимости (2) и (3) носят несколько приближенный характер.
Источник: https://metrotest.ru/article/vzaimosvyaz-napryazheniya-tekuchesti-s-tverdostyu-i-predelom-prochnosti
3.1 Методы определения механических свойств
Металлам присущи высокая пластичность, тепло- и электропроводность. Они имеют характерный металлический блеск.
Свойствами металлов обладают около 80 элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Для металлов, а также для металлических сплавов, особенно конструкционных, большое значение имеют механические свойства, основными из которых являются прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.
Под действием внешней нагрузки в твердом теле возникают напряжение и деформация. Напряжение это нагрузка (сила),отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения образца.
Деформация – это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т.п.
Деформация может быть упругая (исчезает после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки).
При все возрастающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в пластическую, и далее образец разрушается.
В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств металлов, сплавов и других материалов делятся на статические, динамические и знакопеременные.
Прочность – способность металлов оказывать сопротивление деформации или разрушению статическим, динамическим или знакопеременным нагрузкам.
Прочность металлов при статических нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным.
Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках – усталостной прочностью.
Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 3.1). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат – значения напряжения, приложенного к образцу.
Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме (рис. 3.1), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.
Рис. 3.1. Кривая деформации
Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и остаточную, пластическую деформацию. Величина ее равна горизонтальному отрезку от штриховой линии до сплошной кривой.
При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.
Пластическое деформирование представляет собой совершенно другой, значительно более сложный процесс. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место; деформация сохранится.
Эти сдвиги обнаруживаются при микроструктурном исследовании.
Кроме того, пластическое деформирование сопровождается дроблением блоков мозаики внутри зерен, а при значительных степенях деформации наблюдается также заметное изменение форм зерен и их расположения в пространстве, причем между зернами (иногда и внутри зерен) возникают пустоты (поры).
Представленная зависимость ОАВ (см. рис. 3.1) между приложенным извне напряжением (σ) и вызванной им относительной деформацией (ε) характеризует механические свойства металлов.
· наклон прямой ОА показывает жесткость металла, или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения;
· тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости(Е), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию:
· напряжение, которое называется пределом пропорциональности (σпц), соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А;
· в технических измерениях принята характеристика, именуемая пределом текучести (σ0,2). Это напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от длины или другого размера образца, изделия;
· максимальное напряжение (σв) соответствует максимальному напряжению, достигнутому при растяжении, и называется временным сопротивлением или пределом прочности.
Еще одной характеристикой материала является величина пластической деформации, предшествующая разрушению и определяемая как относительное изменение длины (или поперечного сечения) – так называемое относительное удлинение (δ) или относительное сужение(ψ), они характеризуют пластичность металла. Площадь под кривой ОАВ пропорциональна работе, которую надо затратить, чтобы разрушить металл. Этот показатель, определяемый различными способами (главным образом путем удара по надрезанному образцу), характеризует вязкость металла.
При растяжении образца до разрушения фиксируются графически (рис. 3.2) зависимости между приложенным усилием и удлинением образца, в результате этого получают так называемые диаграммы деформации.
Рис. 3.2. Диаграмма «усилие (напряжение) – удлинение»
Деформация образца при нагружении сплава сначала является макроупругой, а затем постепенно и в разных зернах при неодинаковой нагрузке переходит в пластическую, происходящую путем сдвигов по дислокационному механизму.
Накопление дислокаций в результате деформации ведет к упрочнению металла, но при значительной их плотности, особенно в отдельных участках, возникают очаги разрушения, приводящие, в конечном счете, к полному разрушению образца в целом.
Прочность при испытании на растяжение оценивают следующими характеристиками:
1) пределом прочности на разрыв;
2) пределом пропорциональности;
3) пределом текучести;
4) пределом упругости;
5) модулем упругости;
6) пределом текучести;
7) относительным удлинением;
8) относительным равномерным удлинением;
9) относительным сужением после разрыва.
Предел прочности на разрыв(предел прочности или временное сопротивление разрыву) σв, – это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке РВ предшествующей разрушению образца:
σв = Рв/F0,
Эта характеристика является обязательной для металлов.
Предел пропорциональности(σпц)– это условное напряжение Рпц, при котором начинается отклонение от пропорциональной зависимости мости между деформацией и нагрузкой. Он равен:
σпц = Рпц/F0.
Значения σпц измеряют в кгс/мм2 или в МПа.
Предел текучести(σт) – это напряжение (Рт)при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки. Вычисляется по формуле:
σт = Рт/F0.
Предел упругости (σ0,05) – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % длины участка рабочей части образца, равного базе тензометра. Предел упругости σ0,05 вычисляют по формуле:
σ0,05 = Р0,05/F0.
Модуль упругости (Е) – отношение приращения напряжения к соответствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации. Он равен:
Е = Рl/lсрF0,
где ∆Р – приращение нагрузки; l0 – начальная расчетная длина образца; lср – среднее приращение удлинения; F – начальная площадь поперечного сечения.
Предел текучести (условный) – напряжение при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики.
Вычисляется по формуле:
σ 0,2 = Р0,2/F0.
Условный предел текучести определяют только при отсутствии на диаграмме растяжения площадки текучести.
Относительное удлинение (после разрыва) – одна из характеристик пластичности материалов, равная отношению приращения расчетной длины образца после разрушения (lк) к начальной расчетной длине (l0) в процентах:
.
Относительное равномерное удлинение (δр) – отношение приращения длины участков в рабочей части образца после разрыва к длине до испытания, выраженное в процентах.
Относительное сужение после разрыва (ψ), как и относительное удлинение – характеристика пластичности материала. Определяется как отношение разности F0 и минимальной (Fк)площади поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения (F0), выраженное в процентах:
.
Упругость–свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упругость – свойство, обратное пластичности.
Очень часто для определения прочности пользуются простым, не разрушающим изделие (образец), упрощенным методом – измерением твердости.
Под твердостью материала понимается сопротивление проникновению в него постороннего тела, т.е., по сути дела, твердость тоже характеризует сопротивление деформации. Существует много методов определения твердости.
Наиболее распространенным является метод Бринелля (рис. 3.3, а), когда в испытуемое тело под действием силы Р внедряется шарик диаметром D.
Число твердости по Бринеллю (НВ) есть нагрузка (Р), деленная на площадь сферической поверхности отпечатка (диаметром d).
Рис. 3.3. Испытание на твердость:
а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
При измерении твердости методом Виккерса (рис. 3.3, б) вдавливается алмазная пирамида. Измерив диагональ отпечатка (d), судят о твердости (HV) материала.
При измерении твердости методом Роквелла (рис. 3.3, в) индентором служит алмазный конус (иногда маленький стальной шарик). Число твердости – это значение, обратное глубине вдавливания (h). Имеются три шкалы: А, В, С (табл. 3.1).
Методы Бринелля и Роквелла по шкале B применяют для мягких материалов, а метод Роквелла по шкале C – для твердых, а метод Роквелла по шкале A и метод Виккерса – для тонких слоев (листов). Описанные методы измерения твердости характеризуют среднюю твердость сплава.
Для того чтобы определить твердость отдельных структурных составляющих сплава, надо резко локализовать деформацию, вдавливать алмазную пирамиду на определенное место, найденное на шлифе при увеличении в 100 – 400 раз под очень небольшой нагрузкой (от 1 до 100 гс) с последующим измерением под микроскопом диагонали отпечатка.
Полученная характеристика (Н) называется микротвердостью, и характеризует твердость определенной структурной составляющей.
Таблица 3.1 Условия испытания при измерении твердости методом Роквелла
| Условия испытания | Шкала | Обозначение твердости |
| При испытании алмазным конусом и нагрузке Р = 150 кгс | С | HRC |
| При испытании алмазным конусом и нагрузке Р = 60 кгс | А | HRA |
| При вдавливании стального шарика и нагрузке Р = 100 кгс | В | HRB |
Значение НВ измеряют в кгс/мм2 (в этом случае единицы часто не указываются) или в СИ – в МПа (1 кгс/мм2 = 10 МПа).
Вязкость – способность металлов оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости. Многие детали в процессе работы испытывают не только статические нагрузки, но подвергаются также ударным (динамическим) нагрузкам. Например, такие нагрузки испытывают колеса локомотивов и вагонов на стыках рельсов.
Основной вид динамических испытаний – ударное нагружение надрезанных образцов в условиях изгиба. Динамическое нагружение ударом осуществляется на маятниковых копрах (рис. 3.4), а также падающим грузом. При этом определяют работу, затраченную на деформацию и разрушение образца.
Обычно в этих испытаниях, определяют удельную работу, затраченную на деформацию и разрушение образца. Ее рассчитывают по формуле:
КС = K/S,
где КС – удельная работа; К – полная работа деформации и разрушения образца, Дж; S0 – поперечное сечение образца в месте надреза, м2 или см2.
Рис. 3.4. Испытания на ударную вязкость с помощью маятникового копра
Ширина образцов всех типов измеряется до испытаний. Высоту образцов с U- и V-образным надрезом измеряют до испытаний, а с Т-образным надрезом уже после испытаний. Соответственно удельная работа деформации разрушения обозначается KCU, KCV и КСТ.
Хрупкостьметаллов в условиях низких температур называют хладоломкостью. Значение ударной вязкости при этом существенно ниже, чем при комнатной температуре.
Ещё одной характеристикой механических свойств материалов является усталостная прочность. Некоторые детали (валы, шатуны, рессоры, пружины, рельсы и т.п.) в процессе эксплуатации испытывают нагрузки, изменяющиеся по величине или одновременно по величине и направлению (знаку).
Под действием таких знакопеременных (вибрационных) нагрузок металл как бы устает, прочность его понижается и деталь разрушается. Это явление называют усталостью металла, а образовавшиеся изломы – усталостными. Для таких деталей необходимо знать предел выносливости,т.е.
величину наибольшего напряжения, которое металл может выдержать без разрушения при заданном числе перемен нагрузки (циклов) (N).
Износостойкость – сопротивление металлов изнашиванию вследствие процессов трения.
Это важная характеристика, например, для контактных материалов и, в частности, для контактного провода и токосъемных элементов токоприемника электрифицированного транспорта.
Износ заключается в отрыве с трущейся поверхности отдельных ее частиц и определяется по изменению геометрических размеров или массы детали.
Усталостная прочность и износостойкость дают наиболее полное представление о долговечности деталей в конструкциях, а вязкость характеризует надежность этих деталей.
Источник: http://libraryno.ru/3-1-metody-opredeleniya-mehanicheskih-svoystv-material_bashkov_2010/
Определение характеристик прочности
⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 34Следующая ⇒
Модуль упругости первого рода (Е) – физическая константа материала, определяемая путем эксперимента и являющаяся коэффициентом пропорциональности между напряжениями и деформациями:
σ = εЕ.
Модуль упругости можно определять измерением образца тензометром (расчетный способ) или графическим способом по начальному участку диаграммы растяжения.
Расчетный способ. Нагружают образец равными ступенями до нагрузки, соответствующей напряжению, равному 70-80% от предполагаемого σпц. Величина ступени нагружения должна составлять 5-10% от предполагаемого σпц. По результатам испытаний определяют среднюю величину приращения удлинения образца ∆lcp на ступень нагружения ∆Р.
Графический способ. Записывают диаграмму нагружения образца в координатах “нагрузка (ордината) – деформация (абсцисса)”. ∆Р и ∆lcp определяют по диаграмме на участке от нагрузки Р0 до нагрузки, соответствующей напряжению равному 70-80% от предполагаемого σпц.
Модуль упругости вычисляют по формуле
МПа
Стандарты регламентируют также определение относительного равномерного удлинения δР, конечной расчетной длины образца lK, относительного удлинения образца после разрыва δ, относительного сужения ψ.
Предел пропорциональности σпц – наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, можно определять расчетным или графическим способами.
Расчетным способомопределяют или с помощью зеркального прибора при последовательном нагружении образца. Нагружение ведут сначала крупными ступенями, а затем при напряжении 0,65-0,8 от определяемого σпц – малыми ступенями. Рпц определяют при установленном отклонении деформации от закона пропорциональности, фиксируемом показаниями тензометра.
Графическим способомРпц определяют по машинной диаграмме растяжения.
От начала координат (рис.2.7) проводят прямую, совпадающую с начальным линейным участком диаграммы растяжения.
На произвольном уровне нагрузки проводят прямую АВ, параллельную оси абсцисс, и на этой прямой откладывают отрезок kn, равный половине отрезка mk. Через точку n и начала координат проводят прямую On и параллельно ей проводят касательную CD к диаграмме растяжения. Точка касания определяет искомую нагрузку Рпц.
Рис.2.7. Графические способы определения предела пропорциональности по диаграмме растяжения
Предел пропорциональности вычисляют по формуле
, МПа
Предел упругости σ 0,05 – наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций. Так как пластические деформации в отдельных кристаллах появляются уже в самой ранней стадии нагружения, величина предела упругости (как и σпц) зависит от требований точности, которые налагаются на производимые измерения.
Расчетный способ. Образец нагружают до величины в два раза больше начальной Р0, и после выдержки в течение 5-7 с разгружают до Р0. Затем образец нагружают до величины, соответствующей 70-80% от предполагаемого σ0,05.
Дальнейшее нагружение проводят ступенями с выдержкой на каждой ступени 5-7 с и последующей разгрузкой до Р0 с измерением остаточного удлинения. Испытания прекращают, если остаточное удлинение превысит установленный допуск.
По результатам испытаний определяют нагрузку Р0,05
Графический способ, σ0,05 определяют по начальному участку диаграммы “нагрузка-деформация” (рис.2.8). Удлинения определяют на участке, равном базе измерителя деформации.
Для определения Р0,05 вычисляют соответствующую величину остаточного удлинения с учетом базы измерителя деформации.
Найденную величину увеличивают пропорционально масштабу диаграммы по оси деформаций; отрезок полученной длины 0Е откладывают по оси абсцисс вправо от начала координат 0.
Из точки Е проводят прямую ЕР, параллельную прямой 0А. Точка пересечения Р с диаграммой растяжения определяют нагрузку Р0,05.
Предел упругости вычисляет по формуле
.
Рис.2.8. Определение предела упругости
Предел текучести физическийσт, верхний предел текучести σтв и нижний предел текучести σтн определяют по диаграмме растяжения.
Скорость относительной деформации на площадке текучести устанавливают в пределах 0,00025- 0,0025 с-1. Если такая скорость на площадке текучести не может быть установлена, то до начала текучести устанавливают скорость нагружения от 1 до 30 МПа/с.
Допускается определять нагрузку Рт по явно выраженной остановке стрелки силоизмерителя машины, обусловленной удлинением образца без заметного увеличения нагрузки.
Пределы текучести вычисляют по формуле
.
В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести (или явно выраженный начальный переходный эффект), за предел текучести принимается условно величина напряжения, при котором остаточная деформация σост = 0,002 или 0,2%.
Предел текучести условныйσ0,2 можно определить расчетным или графическим способом.
Расчетный способ.σ0,2 определяют аналогично расчетному способу определения предела упругости σ 0,05.
Графический способ. σ0,2- определяют аналогично графическому способу определения σ0,05, по точке пересечения с кривой растяжения прямой KL, параллельной начальному участку кривой и отстоящей от него по горизонтали на расстоянии 0К=0,2(1о/100) в соответствии с принятым допуском (рис.2.9).
Рис. 2.9. Определение предела текучести σ0,2 по диаграмме растяжения
Условный предел текучести можно определять графически по диаграмме, записанной на машине в масштабе, если масштаб ее диаграммного аппарата по оси деформаций не менее 50:1.
При определении σ0,2 скорость нагружения должна быть от от 1 до 30 МПа/с. Предел текучести условный вычисляют по формуле
.
Временное сопротивление σв (предел прочности). Для определения σв образец растягивают под действием плавно возрастающей нагрузки до разрушения. Наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, Рmах соответствует временному сопротивлению.
Временное сопротивление вычисляется по формуле
.
Для пластичных материалов характеристикой сопротивления разрушению гладкого образца при растяжении служит истинное сопротивление разрушению – истинный предел прочности Sk
,
где Fk- площадь сечения в месте разрушения; Pk-усилие в момент разрушения;
Характер разрушения определяют по виду излома образца (рис.2.10).
Источник: https://lektsia.com/2×5882.html
Предел текучести | Металлургия для чайников
Определение предела текучести
Предел текучести — это напряжение, при котором возникает определенная остаточная деформация материала. Когда мы прикладываем напряжение к материалу, он деформируется. Некоторая деформация является пластической, и материал может восстанавливаться после снятия напряжения. Но некоторая деформация остается постоянной, и материал не может оправиться от нее.
Чем больше напряжение, тем больше деформация. Это строится на кривой несколько линейным или пропорциональным образом.Но в какой-то момент немного большее напряжение приводит к гораздо большей деформации, и это пропорциональный предел материала. Напряжение, приложенное сверх этого, вызывает увеличение скорости деформации до тех пор, пока не будет достигнута максимальная или предельная прочность материала. Предел текучести — это напряжение, при котором происходит определенная остаточная деформация материала.
Когда мы прикладываем напряжение к материалу, он деформируется. Некоторая деформация является пластической, и материал может восстанавливаться после снятия напряжения.Но некоторая деформация остается постоянной, и материал не может оправиться от нее. Чем больше мы прикладываем напряжения, тем больше деформация. Это строится на кривой несколько линейным или пропорциональным образом. Но в какой-то момент немного большее напряжение приводит к гораздо большей деформации, и это пропорциональный предел материала. Напряжение, приложенное сверх этого, вызывает увеличение скорости деформации до тех пор, пока не будет достигнута максимальная или предельная прочность материала.
Предел текучести или предел текучести материала определяется в инженерии и материаловедении как напряжение, при котором материал начинает пластически деформироваться.До достижения предела текучести материал будет упруго деформироваться и вернется к своей исходной форме после снятия приложенного напряжения. После достижения предела текучести некоторая часть деформации будет постоянной и необратимой. В трехмерном пространстве главных напряжений бесконечное количество пределов текучести вместе образуют поверхность текучести.
Знание предела текучести жизненно важно при проектировании компонента, поскольку он обычно представляет собой верхний предел нагрузки, которую можно приложить.Это также важно для управления многими технологиями производства материалов, такими как ковка, прокатка или прессование. В проектировании конструкций это режим мягкого разрушения, который обычно не вызывает катастрофического разрушения или окончательного разрушения, если только он не ускоряет коробление.
Истинный предел упругости
Наименьшее напряжение, при котором перемещаются дислокации. Это определение используется редко, поскольку дислокации движутся при очень низких напряжениях, и обнаружить такое движение очень сложно.
Предел пропорциональности
До этой величины напряжения напряжение пропорционально деформации (закон Гука), поэтому график напряжения-деформации представляет собой прямую линию, а градиент будет равен модулю упругости материала.
Предел упругости (предел текучести)
При превышении предела упругости произойдет остаточная деформация. Наименьшее напряжение, при котором можно измерить остаточную деформацию. Это требует ручной процедуры загрузки-разгрузки, а точность критически зависит от оборудования и навыков оператора. Для эластомеров, таких как резина, предел упругости намного больше, чем предел пропорциональности. Кроме того, точные измерения деформации показали, что пластическая деформация начинается при низких напряжениях.
Предел текучести
Точка на кривой «напряжение-деформация», в которой кривая выравнивается и начинается пластическая деформация.
Предел текучести смещения (предел текучести)
Если предел текучести определить нелегко на основе формы кривой напряжения-деформации, предел текучести определяется произвольно. Значение для этого обычно устанавливается на 0,1 или 0,2% от деформации. Значение смещения указывается в виде нижнего индекса, например, Rp0,2 = 310 МПа. Высокопрочная сталь и алюминиевые сплавы не обладают пределом текучести, поэтому этот предел текучести используется для этих материалов.
Верхний предел текучести и нижний предел текучести
Некоторые металлы, такие как низкоуглеродистая сталь, достигают верхнего предела текучести, а затем быстро падают до более низкого предела текучести.Отклик материала линейен до верхнего предела текучести, но нижний предел текучести используется в проектировании конструкций как консервативное значение. Если металл подвергается напряжению только до верхнего предела текучести и выше, полосы Людерса могут развиваться.
Связанная публикация
- Процессы формовки металла
Деформации металла возникают из-за приложения внешних сил к заготовке, эти силы уравновешены … - Определение характеристик материалов
Определение характеристик при использовании в материаловедении относится к к использованию внешних методов для исследования внутренней ул… - Осадочное упрочнение
Осадочное упрочнение, также называемое старением, представляет собой метод термообработки, используемый для увеличения предела текучести … - Явление хрупкого разрушения
Существуют ситуации, в которых сопротивление разрушению зависит не от прочности, а от несущей способности t … - Диаграмма время-температура-трансформация (TTT)
T (Время) T (Температура) Диаграмма T (трансформация) представляет собой график зависимости температуры от логарифм времени для стального алло…
Типы прочности металла — Monarch Metal
Независимо от того, используется ли металл для изготовления инструментов, строительства небоскребов или прокладки железных дорог, прочность является важным фактором при принятии решения, какой металл лучше всего подходит для работы. Прочность варьируется от металла к металлу и от приложения к применению. Таким образом, есть несколько различных мер прочности, о которых следует подумать при оценке вариантов металлического материала.
Здесь мы рассмотрим некоторые из различных способов измерения прочности металла:
Предел прочности
Прочность на растяжение — это максимальная величина растяжения или растяжения, которую металл может выдержать до того, как он выйдет из строя или будет необратимо поврежден.По сути, предел прочности на разрыв — это мера того, насколько металл может сопротивляться растяжению. Он служит хорошей отправной точкой для определения того, как металлическая деталь будет работать в приложении.
Существует три типа прочности на разрыв:
- Предел текучести — это точка напряжения, при которой металл начинает пластически деформироваться.
- Предел прочности описывает максимальное напряжение, которое может выдержать металл.
- Прочность на разрыв — это координата напряжения на кривой зависимости напряжения от деформации в точке разрушения.
Под пластичностью металла понимается деформация материала, когда он подвергается постоянным изменениям в результате приложенных сил. В случае металла «приложенные силы» могут включать в себя действия изгиба или удара.
После того, как предел текучести достигнут, часть результирующей деформации становится постоянной и необратимой. Перед деформацией происходит упругая деформация, когда материал деформируется под действием напряжения, но возвращается в исходное состояние после снятия напряжения.
Среди обычно используемых металлических сплавов нержавеющая сталь и закаленный конструкционный алюминий имеют относительно высокий предел прочности: 90 000 и 45 000 фунтов на квадратный дюйм, соответственно.
Ударная вязкость
Ударная вязкость — это мера того, какой удар или внезапно приложенная сила может выдержать металл, прежде чем он разрушится. Ударная нагрузка и предел, который может выдержать металл, выражаются в единицах энергии. Таким образом, по сути, ударная вязкость измеряет количество энергии, которое металл может поглотить, прежде чем он расколется.
Прочность на сжатие
Как следует из названия, прочность на сжатие — это максимальное давление или сжатие, которое металл может выдержать.Обычно это измеряется универсальной испытательной машиной, которая прилагает повышенную нагрузку к материалу.
И для справки, вот сравнительная таблица прочности:
Алюминий
| Предел прочности (PSI) | Предел текучести (PSI) | |
|---|---|---|
| Конструктивный угол A36, плоский, стержень, балка | 58-80 000 | 36 000 |
| Лист 1011 CS Тип B | 53,000 | 30-50,000 |
| Лист сорта 50 | 65,000 | 50,000 |
| 1018 Вал с холодной прокаткой | 70-80,000 | 45-70,000 |
| 1045 Вал холоднокатаный TG&P | 100000 | 85000 |
| Стрессоустойчивый | 115,000 | 100,000 |
| 4140/4142 Отожженный холоднокатаный вал | 105-120 000 | 85-95 000 |
| 4140/4142 Термообработанный холоднокатаный вал | 125000 | 105000 |
Нержавеющая сталь
| Предел прочности (PSI) | Предел текучести (PSI) | |
|---|---|---|
| Латунь | 49-68,000 | 18-45,000 |
Сталь
| Номер детали | Общий | Машинная резьба | Винт для дерева | |
|---|---|---|---|---|
| Опция A | HB-A | 1 1/2 « | 5/8″ | 7/8 « |
| Вариант B | HB-B | 2 1/2 « | 1″ | 1 1/2 « |
| Опция C | HB-C | 4 « | 2″ | 2 « |
Латунь
| Деталь No. | Диаметр. (A) | Высота (B) |
|---|---|---|
| SO-SS-1CAP | 1 « | 3/8 Всего (3/16″ открыто) |
| SO-SS-1.25CAP | 1 1/4 дюйма | 3/8 Всего (3/16 дюйма открыто) |
| SO-SS-1.5CAP | 1 1/2 « | 3/8 Всего (3/16 дюйма открыто) |
| SO-SS-2CAP | 2 « | 3/8 Всего (3/16 дюйма открыто) |
Прочность на разрыв
Механические свойства пластмасс
Что такое предел прочности на разрыв? Прочность на растяжение — это способность пластика выдерживать максимальное напряжение растяжения при растяжении или растяжении без повреждений.Это момент, когда материал переходит от упругой к пластической деформации.
- Упругая деформация — Когда напряжение снимается, материал возвращается к размеру, который был до приложения нагрузки. Действительно для небольших деформаций (кроме каучуков). Деформация обратимая, непостоянная
- Пластическая деформация — Когда напряжение снимается, материал не возвращается к своему прежнему размеру, но происходит постоянная необратимая деформация.
Прочность на растяжение часто называют пределом прочности на растяжение и в единицах силы на площадь поперечного сечения .
Существует три типа прочности на разрыв (см. График 1 ниже):
- Предел текучести (A) — Напряжение, которое материал может выдержать без остаточной деформации
- Предел прочности (B) — Максимальное напряжение, которое может выдержать материал
- Разрывная нагрузка (C) — Координата напряжения на кривой зависимости напряжения от деформации в точке разрыва
Другими словами, материалы сначала деформируются упруго — когда вы снимаете напряжение, они возвращаются к своей первоначальной форме.Затем с большей силой они деформируются пластически, это и есть текучесть — когда вы снимаете напряжение, они постоянно растягиваются и принимают новую форму. Наконец они ломаются; это, в конечном счете, растягивающее напряжение или предел прочности.
»Выберите подходящий пластик с« хорошей прочностью на разрыв », отвечающий вашим требованиям
Предел прочности на разрыв (TS) при разрыве измеряет максимальное напряжение, которое пластиковый образец может выдержать при растяжении перед разрушением. Некоторые материалы могут резко сломаться (хрупкое разрушение), в то время как другие деформируются или растянутся до разрушения.Он измеряется как растягивающая или сжимающая нагрузка, необходимая для разрушения чего-либо.
Следовательно, это одно из важных механических свойств для:
- Оценка материала
- Контроль качества
- Конструктивное исполнение
- Моделирование и
- Анализ отказов
Узнайте больше о прочности на разрыв при разрыве:
»Разница между пределом прочности на разрыв и пределом текучести
» Как измерить свойства пластмасс на растяжение?
»Значимость свойств при растяжении и факторов, влияющих на предел прочности пластмасс на растяжение
» Прочность на разрыв (растяжение) — значения свойств для некоторых пластмасс
Предел текучести по сравнению сПрочность на разрыв
Предел текучести — это напряжение, которое материал может выдержать без остаточной деформации, или точка, при которой он больше не возвращается к своим первоначальным размерам (на 0,2% по длине). Принимая во внимание, что предел прочности при растяжении — это максимальное напряжение, которое может выдержать материал при растяжении или растяжении до разрушения или разрушения.
- Предел текучести можно увидеть на кривой «напряжение-деформация» как точку, в которой график больше не является линейным.
- Поскольку довольно сложно определить точную точку, в которой линия перестает быть линейной, предел текучести обычно является точкой, в которой значение на кривой напряжения-деформации равно 0.2% от того, что было бы, если бы он был полностью линейным
Типичная кривая напряжения-деформации
Кривая напряжения-деформации
Когда к объекту прикладывается растягивающая сила (растягивающая сила), он расширяется, и его поведение можно получить с помощью кривой зависимости напряжения от деформации в области упругой деформации (известный закон Гука). Расширение, создаваемое силой, зависит не только от материала, но и от других факторов, таких как размеры объекта (например, длина, толщина и т. Д.).)
Напряжение определяется как сила на единицу площади пластика и имеет единицы Нм -2 или Па. Формула для расчета растягивающего напряжения:
σ (напряжение) = F / A
Где σ — напряжение (в ньютонах на квадратный метр или, что эквивалентно, в паскалях), F — сила (в ньютонах, обычно обозначаемая как N), а A — площадь поперечного сечения образца.
В то время как деформация определяется как удлинение на единицу длины. А поскольку это отношение длин, деформация не имеет единиц.
ε (деформация) = ΔL / L 0 ; ΔL = L-L 0
Где L 0 — исходная длина растягиваемого стержня, а L — его длина после растяжения. ΔL — это удлинение стержня, разница между этими двумя длинами.
Узнайте больше о других механических свойствах: Модуль Юнга , Прочность , Твердость , Удлинение при текучести , Удлинение при разрыве , Прочность при растяжении
Единицы измерения прочности на разрыв
В Международной системе единицей измерения прочности на разрыв является паскаль (Па) (или мегапаскали, МПа или даже ГПа, мегапаскали), что эквивалентно ньютонам на квадратный метр (Н / м 2 ).
В США для удобства измерения прочности на разрыв обычно используются фунты-сила на квадратный дюйм (фунт-сила / дюйм 2 или фунт / кв. Дюйм) или килограмм на квадратный дюйм (kpsi).
ПРИМЕЧАНИЕ : В инженерном деле, прочность и жесткость — понятия, которые часто путают. Чтобы узнать о правильной классификации материалов, прочтите «Жесткость » здесь.
Графики напряжения-деформации для типичного эластомера, гибкого пластика, жесткого пластика и волокна
(Источник: Принципы полимеризации, четвертое издание, Джордж Одиан)
Как измерить свойства пластмасс на растяжение?
Испытания на растяжение измеряют силу, необходимую для разрушения образца, и степень, в которой образец растягивается или удлиняется до этой точки разрыва.
В общем, «методы испытаний на растяжение» применяются для измерения свойств пластмасс на растяжение. Обычно используются следующие методы:
- ASTM D638 — Стандартный метод испытаний свойств пластмасс на растяжение
- ISO 527-1: 2012 — Определение свойств при растяжении. Общие принципы
Конечно, существует несколько других методов, помимо перечисленных ниже, но они здесь не обсуждаются. Методы испытаний ASTM D638 и ISO 527
Методы испытаний ASTM D638 и ISO 527 охватывают определение свойств растяжения пластмасс и пластиковых композитов в определенных условиях в виде стандартных образцов для испытаний в форме гантелей.Определенные условия могут варьироваться от предварительной обработки, температуры, влажности до скорости испытательной машины.
Методы используются для исследования поведения испытуемых образцов при растяжении.
Посмотрите это интересное видео об испытании пластмасс на микропрочность на растяжение в соответствии с ASTM D638
Источник: ADMET
И, по результатам испытаний на растяжение можно сделать следующие расчеты:
Для ASTM D638 скорость испытания определяется спецификацией материала.Для ISO 527 скорость испытания обычно составляет 5 или 50 мм / мин для измерения прочности и удлинения и 1 мм / мин для измерения модуля.
Экстензометр — это устройство, которое используется для измерения изменений длины объекта. Это полезно для измерений напряжения-деформации и испытаний на растяжение.
Значение свойств при растяжении
- Свойства при растяжении предоставляют полезные данные для инженерного проектирования пластмасс.
- Свойства прочности на растяжение часто включаются в спецификации материалов для обеспечения качества.
- Свойства растяжения часто измеряются при разработке новых материалов и процессов, чтобы можно было сравнивать различные материалы и процессы.
- Наконец, свойства при растяжении часто используются для прогнозирования поведения материала при формах нагрузки, отличных от одноосного растяжения.
Факторы, влияющие на предел прочности пластмасс на растяжение
Прочность полимеров определяется их:
- Молекулярная масса : Прочность полимера повышается с увеличением молекулярной массы и достигает уровня насыщения при некотором значении молекулярной массы.
- При более низкой молекулярной массе — полимерные цепи слабо связаны слабыми силами Ван-дер-Ваальса, и цепи могут легко перемещаться, что отвечает за низкую прочность, хотя кристалличность присутствует.
- Полимер с более высокой молекулярной массой — Полимерные цепи становятся большими и, следовательно, сшиваются, придавая полимеру прочность
- Сшивание : Сшивание ограничивает движение цепей и увеличивает прочность полимера.
- Кристалличность : Кристаллическая фаза полимера увеличивает прочность; следовательно, межмолекулярная связь более значительна. Следовательно, деформация полимера может привести к более высокой прочности, приводящей к ориентированным цепям.
Помимо этой скорости испытания, уровень ориентации волокон, температура, содержание наполнителя и т. Д. Также влияют на значения прочности на разрыв термопластов.
Найдите коммерческие марки, соответствующие вашим целевым механическим свойствам, с помощью функции «Поиск недвижимости — Предел прочности при разрыве фильтра дюймов в базе данных Omnexus Plastics:
Значения прочности на разрыв (растяжение) некоторых пластмасс
Щелкните, чтобы найти полимер, который вы ищете:
A-C | E-M | PA-PC | PE-PL | ПМ-ПП | PS-X
| Название полимера | Мин. Значение (МПа) | Максимальное значение (МПа) |
| ABS — Акрилонитрилбутадиенстирол | 29.8 | 43,0 |
| ABS огнестойкий | 30,0 | 50,0 |
| ABS High Heat | 30,0 | 60,0 |
| АБС ударопрочный | 30,0 | 45,0 |
| Смесь АБС / ПК — Смесь акрилонитрилбутадиенстирола / поликарбоната | 40,0 | 50,0 |
| Смесь АБС / ПК, 20% стекловолокна | 75.0 | 80,0 |
| ABS / PC огнестойкий | 40,0 | 55,0 |
| Смесь аморфных TPI, сверхвысокого нагрева, химическая стойкость (высокая текучесть) | 105,0 | 105,0 |
| Смесь аморфных TPI, сверхвысокого нагрева, химическая стойкость (стандартный поток) | 160,0 | 160,0 |
| Аморфный TPI, высокая температура нагрева, высокая текучесть, бессвинцовая пайка, 30% GF | 147.0 | 147,0 |
| Аморфный TPI, высокая температура нагрева, высокая текучесть, прозрачный, бессвинцовый припой (высокая текучесть) | 74,0 | 74,0 |
| Аморфный TPI, высокотемпературный, высокоточный, прозрачный, бессвинцовый припой (стандартный поток) | 70,0 | 70,0 |
| Аморфный TPI, высокая температура нагрева, химическая стойкость, 260C UL RTI | 119,0 | 119,0 |
| Аморфный TPI, умеренный нагрев, прозрачный | 78.0 | 78,0 |
| Аморфный TPI, умеренный нагрев, прозрачный (одобрен для контакта с пищевыми продуктами) | 78,0 | 78,0 |
| Аморфный TPI, умеренное нагревание, прозрачный (степень удаления плесени) | 78,0 | 78,0 |
| Аморфный TPI, умеренное нагревание, прозрачный (в форме порошка) | 78,0 | 78,0 |
| ASA — Акрилонитрилстиролакрилат | 47.0 | 56,0 |
| Смесь ASA / PC — Смесь акрилонитрил-стиролакрилата / поликарбоната | 45,0 | 50,0 |
| ASA / PC огнестойкий | 48,0 | 48,0 |
| Смесь ASA / PVC — Смесь акрилонитрил-стиролакрилата / поливинилхлорида | 45,0 | 50,0 |
| CA — Ацетат целлюлозы | 24,0 | 52,0 |
| CAB — бутират ацетата целлюлозы | 18.0 | 48,0 |
| CP — пропионат целлюлозы | 14,0 | 50,0 |
| COC — Циклический олефиновый сополимер | 46,0 | 63,0 |
| ХПВХ — хлорированный поливинилхлорид | 45,0 | 60,0 |
| ETFE — этилентетрафторэтилен | 45,0 | 45,0 |
| ECTFE | 45.0 | 54,0 |
| EVA — этиленвинилацетат | 7,0 | 30,0 |
| EVOH — этиленвиниловый спирт | 30,0 | 205,0 |
| FEP — фторированный этиленпропилен | 19,0 | 21,0 |
| HDPE — полиэтилен высокой плотности | 30,0 | 40,0 |
| HIPS — ударопрочный полистирол | 20.0 | 45,0 |
| HIPS огнестойкий V0 | 15,0 | 30,0 |
| Иономер (сополимер этилена и метилакрилата) | 11,0 | 37,0 |
| LCP — Жидкокристаллический полимер | 175,0 | 175,0 |
| LCP, армированный углеродным волокном | 190,0 | 240,0 |
| LCP, армированный стекловолокном | 160.0 | 220,0 |
| LCP Минеральное наполнение | 110,0 | 180,0 |
| LDPE — полиэтилен низкой плотности | 10,0 | 20,0 |
| LLDPE — линейный полиэтилен низкой плотности | 25,0 | 45,0 |
| PA 11 — (Полиамид 11) 30% армированный стекловолокном | 80,0 | 136,0 |
| PA 11, проводящий | 37.0 | 37,0 |
| PA 11, гибкий | 43,0 | 59,0 |
| PA 11, жесткий | 37,0 | 58,0 |
| PA 12 (Полиамид 12), проводящий | 39,0 | — |
| PA 12, армированный волокном | 72,0 | 145,0 |
| PA 12, гибкий | 50,0 | 56,0 |
| PA 12, со стеклом | 37.0 | 50,0 |
| PA 12, жесткий | 56,0 | 69,0 |
| PA 46 — Полиамид 46 | 65,0 | 85,0 |
| PA 46, 30% стекловолокно | 128,0 | 132,0 |
| PA 6 — Полиамид 6 | 50,0 | 95,0 |
| PA 6-10 — Полиамид 6-10 | 50,0 | 65,0 |
| PA 66 — Полиамид 6-6 | 50.0 | 95,0 |
| PA 66, 30% стекловолокно | 100,0 | 125,0 |
| PA 66, 30% Минеральное наполнение | 45,0 | 200,0 |
| PA 66, ударно-модифицированная, 15-30% стекловолокна | 90,0 | 120,0 |
| PA 66, ударно-модифицированный | 40,0 | 50,0 |
| Полиамид полуароматический | 60,0 | 60.0 |
| PAI — Полиамид-имид | 190,0 | 195,0 |
| PAI, 30% стекловолокно | 210,0 | 210,0 |
| PAI, низкое трение | 125,0 | 165,0 |
| PAN — Полиакрилонитрил | 50,0 | 65,0 |
| PAR — Полиарилат | 25,0 | 65,0 |
| PARA (Полиариламид), 30-60% стекловолокна | 190.0 | 280,0 |
| PBT — полибутилентерефталат | 40,0 | 50,0 |
| PBT, 30% стекловолокно | 135,0 | 140,0 |
| ПК (поликарбонат) 20-40% стекловолокно | 90,0 | 160,0 |
| ПК (поликарбонат) 20-40% стекловолокно огнестойкое | 90,0 | 140,0 |
| PC — Поликарбонат, жаростойкий | 55.0 | 77,0 |
| Смесь ПК / ПБТ — смесь поликарбоната / полибутилентерефталата со стеклянным наполнением | 62,0 | 110,0 |
| PCTFE — Полимонохлортрифторэтилен | 32,0 | 40,0 |
| PE — Полиэтилен 30% стекловолокно | 52,0 | 63,0 |
| PEEK — Полиэфирэфиркетон | 90,0 | 150,0 |
| PEEK, армированный 30% углеродным волокном | 200.0 | 220,0 |
| PEEK, армированный стекловолокном, 30% | 150,0 | 180,0 |
| PEI — Полиэфиримид | 90,0 | 100,0 |
| PEI, 30% армированный стекловолокном | 150,0 | 160,0 |
| PEI, минеральное наполнение | 90,0 | 100,0 |
| PEKK (Полиэфиркетонекетон), с низкой степенью кристалличности | 89.5 | 89,5 |
| PESU — Полиэфирсульфон | 70,0 | 90,0 |
| PESU 10-30% стекловолокно | 75,0 | 140,0 |
| ПЭТ — полиэтилентерефталат | 45,0 | 70,0 |
| ПЭТ, 30% армированный стекловолокном | 140,0 | 160,0 |
| ПЭТ, 30/35% армированный стекловолокном, модифицированный при ударе | 100.0 | 110,0 |
| PETG — полиэтилентерефталат гликоль | 40,0 | 40,0 |
| PE-UHMW — полиэтилен — сверхвысокая молекулярная масса | 39,0 | 49,0 |
| PFA — перфторалкокси | 27,0 | 30,0 |
| PGA — Полигликолиды | 68,9 | 68,9 |
| PHB — Полигидроксибутират | 25.0 | 27,0 |
| PHB-V (5% валерат) | 35,0 | 37,0 |
| PI — Полиимид | 72,0 | 120,0 |
| PLA — полилактид | 52,0 | 54,0 |
| PLA — Полилактид Высокотемпературные пленки | 102,2 | 104,2 |
| PMMA — Полиметилметакрилат / акрил | 38,0 | 70.0 |
| PMMA (акрил) High Heat | 65,0 | 79,0 |
| ПММА (акрил) ударно-модифицированный | 35,0 | 65,0 |
| PMP — Полиметилпентен | 16,0 | 18,0 |
| PMP, армированный 30% стекловолокном | 60,0 | 68,0 |
| PMP Минеральное наполнение | 17,0 | 18,0 |
| Полиамид 66 (нейлон 66) / углеродное волокно, длинный, 30% наполнителя по весу | 290.0 | 290,0 |
| Полиамид 66 (нейлон 66) / углеродное волокно, длинный, 40% наполнителя по весу | 305,0 | 305,0 |
| Полиамид 66 (нейлон 66) / стекловолокно, длинное, 40% наполнителя по весу | 230,0 | 230,0 |
| Полиамид 66 (нейлон 66) / стекловолокно, длинный, 40% наполнителя по весу | 210,0 | 210,0 |
| Полиамид 66 (нейлон 66) / стекловолокно, длинный, 50% наполнитель по весу | 270.0 | 270,0 |
| Полиамид 66 (нейлон 66) / стекловолокно, длинный, 50% наполнитель по весу | 230,0 | 230,0 |
| Полиамид 66 (нейлон 66) / стекловолокно, длинное, 60% наполнителя по весу | 270,0 | 270,0 |
| Полиамид 66 (нейлон 66) / стекловолокно, длинное, 60% наполнителя по весу | 250,0 | 250,0 |
| Гомополимер полипропилена (гомополимер ПП) / стекловолокно, длинное, 30% наполнителя по весу | 120.0 | 120,0 |
| Гомополимер полипропилена (гомополимер ПП) / стекловолокно, длинное, 40% наполнителя по весу | 130,0 | 130,0 |
| Гомополимер полипропилена (гомополимер ПП) / стекловолокно, длинное, 40% наполнителя по весу | 120,0 | 120,0 |
| Гомополимер полипропилена (гомополимер ПП) / стекловолокно, длинное, 50% наполнителя по весу | 130.0 | 130,0 |
| Гомополимер полипропилена (гомополимер ПП) / стекловолокно, длинное, 50% наполнителя по весу | 130,0 | 130,0 |
| ПОМ — Полиоксиметилен (Ацеталь) | 60,0 | 70,0 |
| ПОМ (Ацеталь) с модифицированным ударным воздействием | 45,0 | 60,0 |
| ПОМ (Ацеталь) с низким коэффициентом трения | 50,0 | 70,0 |
| ПОМ (Ацеталь) Минеральное наполнение | 50.0 | 75,0 |
| PP — полипропилен 10-20% стекловолокно | 35,0 | 56,0 |
| ПП, 10-40% минерального наполнителя | 18,0 | 24,0 |
| ПП, наполненный тальком 10-40% | 21,0 | 28,0 |
| PP, 30-40% армированный стекловолокном | 42,0 | 70,0 |
| Сополимер PP (полипропилен) | 30.0 | 35,0 |
| Гомополимер PP (полипропилен) | 20,0 | 40,0 |
| ПП, модифицированный при ударе | 23,0 | 35,0 |
| PPA — полифталамид | 85,0 | 85,0 |
| PPA, 30% минеральное наполнение | 79,0 | 81,0 |
| PPA, 33% армированный стекловолокном | 192,0 | 194.0 |
| PPA, усиленный стекловолокном на 33% — High Flow | 162,0 | 163,0 |
| PPA, 45% армированный стекловолокном | 227,0 | 229,0 |
| PPE — Полифениленовый эфир | 45,0 | 60,0 |
| СИЗ, 30% армированные стекловолокном | 100,0 | 130,0 |
| СИЗ, огнестойкий | 45,0 | 55.0 |
| СИЗ, модифицированные при ударе | 45,0 | 55,0 |
| СИЗ с минеральным наполнителем | 65,0 | 75,0 |
| PPS — полифениленсульфид | 50,0 | 80,0 |
| PPS, армированный стекловолокном на 20-30% | 130,0 | 150,0 |
| PPS, армированный 40% стекловолокном | 120,0 | 150,0 |
| PPS, проводящий | 60.0 | 140,0 |
| PPS, стекловолокно и минеральное наполнение | 60,0 | 150,0 |
| PPSU — полифениленсульфон | 75,8 | 76,0 |
| PS (полистирол) 30% стекловолокно | 70,0 | 70,0 |
| ПС (полистирол) Кристалл | 35,0 | 60,0 |
| PS, высокая температура | 40,0 | 60.0 |
| PSU — полисульфон | 70,0 | 80,0 |
| Блок питания, 30% армированный стекловолокном | 100,0 | 125,0 |
| PSU Минеральное наполнение | 65,0 | 70,0 |
| PTFE — политетрафторэтилен | 0,0 | 10,0 |
| ПТФЭ, армированный стекловолокном на 25% | 15,0 | 20,0 |
| ПВХ (поливинилхлорид), армированный 20% стекловолокном | 60.0 | 90,0 |
| ПВХ, пластифицированный | 7,0 | 25,0 |
| ПВХ, пластифицированный наполнитель | 10,0 | 25,0 |
| Жесткий ПВХ | 35,0 | 60,0 |
| ПВДХ — поливинилиденхлорид | 20,0 | 35,0 |
| PVDF — поливинилиденфторид | 40,0 | 50.0 |
| SAN — Стиролакрилонитрил | 65,0 | 85,0 |
| SAN, армированный стекловолокном на 20% | 100,0 | 120,0 |
| SMA — малеиновый ангидрид стирола | 35,0 | 55,0 |
| SMA, армированный стекловолокном на 20% | 56,0 | 75,0 |
| SMA, огнестойкий V0 | 20,0 | 25.0 |
| SMMA — метилметакрилат стирола | 30,0 | 60,7 |
| SRP — Самоупрочняющийся полифенилен | 159,0 | 207,0 |
| TPS / PE — смесь термопластического крахмала и полиэтилена (протестированы пленки толщиной 30 микрон) | 20,0 | 20,0 |
| XLPE — сшитый полиэтилен | 11,0 | 32,0 |
Коммерчески доступные марки полимеров с высоким пределом прочности на разрыв
Узнайте больше о других механических свойствах: Модуль Юнга , Прочность , Твердость , Удлинение при текучести , Удлинение при разрыве , Прочность при растяжении
Предел текучести — обзор
8.3 Зависимость предела текучести от температуры и скорости деформации
Предел текучести стали увеличивается с понижением температуры при комнатной температуре и ниже (см. Рис. 8.3). При пластической деформации при низкой температуре барьер Пайерлса (ближнее препятствие) является основным препятствием для движения дислокаций. Дислокации преодолевают препятствие с помощью тепловых колебаний атомов и приложенного напряжения. Поскольку тепловая энергия уменьшается с понижением температуры, предел текучести увеличивается при низкой температуре.
8.3. Температурная зависимость предела текучести σ y , нормированная на модуль Юнга E , и влияние скорости деформации на кривую. σ a — атермический предел текучести, не зависящий от температуры и скорости деформации.
При промежуточных температурах в диапазоне 100–450 ° C для стали энергия тепловых колебаний становится достаточно большой для того, чтобы дислокации преодолели барьер Пайерлса, и основное препятствие для движения дислокаций переходит в другое препятствие на большие расстояния, такое как другие дислокации и частицы.Поскольку эти препятствия слишком велики, чтобы дислокации могли преодолеть их с помощью тепловой энергии, дислокации могут преодолевать препятствия только с помощью приложенного напряжения. Следовательно, предел текучести при промежуточной температуре практически не зависит от температуры и скорости деформации. Такой предел текучести называется атермическим пределом текучести a . Предел текучести связан с плотностью дислокаций ρ и расстоянием между частицами λ следующими уравнениями:
[8.3] σa = αMGbρ
[8.4] σa = βMGb / λ
, где α — константа около 0,4, M — коэффициент Тейлора (= 3), G — модуль сдвига, b — длина вектора Бюргерса, а β — постоянная около 0,8. Пределы текучести слабо зависят от температуры испытания из-за температурной зависимости G . Они действительно не зависят от температуры, если их нормализовать с помощью константы упругости, такой как G или модуль Юнга E . Динамическое деформационное старение, вызванное атомами углерода и азота, может привести к появлению пика на кривой «предел текучести – температура» при промежуточной температуре, но пик незначителен при 0.В качестве предела текучести используется 02 или 0,2% условного предела текучести.
При повышенной температуре диффузия атомов и вакансий помогает дислокациям проходить через атермические препятствия, что приводит к другой пластической деформации, зависящей от температуры и скорости деформации, а именно ползучести. Этот температурный диапазон называется режимом ползучести. Предел текучести при высокой температуре выражается как:
[8,5] σy = Eε˙ / ε˙01 / nexpQD / nRT
, где ε˙ — скорость деформации, ε˙0 — постоянная материала, n — напряжение. показатель степени, который обычно больше 3, Q D — это энергия активации решеточной диффузии, R — универсальная газовая постоянная, а T — абсолютная температура.Следовательно, предел текучести высокотемпературной деформации уменьшается с увеличением температуры или уменьшением скорости деформации.
При низкотемпературной деформации тепловая энергия помогает дислокациям преодолеть барьер Пайерлса. Помощь тепловой энергии увеличивается с уменьшением скорости деформации ε˙, что приводит к уменьшению предела текучести. Однако σ a является нижним пределом предела текучести при низкой температуре, поскольку приложенное напряжение ниже σ a не позволяет дислокациям проходить через препятствия на большом расстоянии.При высокой температуре предел текучести увеличивается с увеличением скорости деформации, как и ожидалось из уравнения [8.5]. Однако предел текучести не может превышать атермический предел текучести σ a , поскольку выше σ a дислокации могут проходить через атермические препятствия без помощи диффузии. Атермический предел текучести является важным значением даже при высокотемпературной деформации, поскольку он является верхним пределом предела текучести.
Предел текучести — предел текучести
Принципиальная диаграмма кривой напряжения-деформации низкоуглеродистой стали при комнатной температуре показана на рисунке.Есть несколько стадий, демонстрирующих разное поведение, что предполагает разные механические свойства. Для пояснения, материалы могут пропускать одну или несколько стадий, показанных на рисунке, или иметь совершенно разные стадии. В этом случае мы должны различать механические характеристики пластичных материалов и хрупких материалов . Следующие пункты описывают различные участки кривой зависимости напряжения от деформации и важность нескольких конкретных мест.
Предел текучести — предел текучести
Предел текучести — это точка на кривой напряжения-деформации, которая указывает предел упругого поведения и начало пластического поведения. Предел текучести или предел текучести — это свойство материала, определяемое как напряжение, при котором материал начинает пластически деформироваться, тогда как предел текучести — это точка, в которой начинается нелинейная (упругая + пластическая) деформация. Перед достижением предела текучести материал будет упруго деформироваться и вернется к своей исходной форме после снятия приложенного напряжения. После достижения предела текучести некоторая часть деформации будет постоянной и необратимой. Некоторые стали и другие материалы демонстрируют поведение, называемое явлением предела текучести.Предел текучести варьируется от 35 МПа для алюминия с низкой прочностью до более 1400 МПа для высокопрочных сталей.
Во многих ситуациях предел текучести используется для определения допустимого напряжения, которому может подвергаться материал. Для компонентов, которые должны выдерживать высокое давление, таких как те, которые используются в реакторах с водой под давлением (PWR), этот критерий неадекватен. Чтобы охватить эти ситуации, теория максимального напряжения сдвига была включена в Кодекс ASME (Американское общество инженеров-механиков) по котлам и сосудам под давлением, раздел III, Правила строительства ядерных сосудов под давлением.Эта теория утверждает, что отказ компонента трубопровода происходит, когда максимальное напряжение сдвига превышает напряжение сдвига в пределе текучести при испытании на растяжение.
Предел текучести и удлинения | Фиск Сплав
Испытания на растяжение проводятся для определения прочности на разрыв, предела текучести и удлинения материала. Эти свойства зависят от сплава и состояния, а также формы испытуемого материала. ASTM E 8 определяет процедуры испытаний на растяжение металлических материалов.
Определения
- Предел прочности
- Максимальное напряжение, которое материал выдержит перед разрушением. Прочность на растяжение рассчитывается путем деления максимальной нагрузки на первоначальную площадь поперечного сечения испытуемого образца.
- Предел текучести
- Напряжение, соответствующее заданной остаточной (пластической) деформации. Указанная остаточная деформация стандартизована в цветной металлургии как 0,2% смещения кривой напряжения-деформации.
- Удлинение
- Увеличение измерительной длины, измеренное после разрушения образца в пределах измерительной длины, обычно выражаемое в процентах от исходной измерительной длины.
Полоса материала обычно тестируется с использованием подготовленного стандартизированного образца с измерительной длиной 2 дюйма на 1/2 дюйма шириной. При испытании на растяжение проволоки используется фактический размер готовой проволоки. Относительное удлинение в проволоке можно измерить и получить данные по разным размерам (от 2 до 60 дюймов), хотя наиболее распространенными являются 2 и 10 дюймов (50–250 мм).Поскольку относительное удлинение зависит от испытательной измерительной длины, при сообщении об удлинении необходимо также указать измерительную длину (чем больше измерительная длина, тем меньше измеренное удлинение).
Когда сплав подвергается холодной обработке прокаткой или волочением, предел прочности на растяжение и предел текучести увеличивается, а относительное удлинение уменьшается, как схематически показано. По мере увеличения прочности в результате холодной обработки разница между пределом текучести и пределом прочности уменьшается и быстро достигает небольшого и относительно постоянного значения.Это позволяет одному показателю прочности, пределу прочности при растяжении, отображать другие характеристики отпуска. Измерение прочности на разрыв проволоки является окончательным, не требует дополнительной подготовки образца проволоки, интерпретации и обработки результатов испытаний и легко коррелирует между различными испытательными центрами. Прочность на растяжение — это механическое свойство, для которого задана и изготовлена проволока.
Следует отметить, что большее уменьшение площади поперечного сечения, реализуемое при обработке проволоки, сужает разброс между пределом прочности на разрыв и пределом текучести.Предел прочности при растяжении становится основным параметром спецификации проволоки, а значения текучести и удлинения используются в качестве справочных значений.
Из-за различных механических свойств, присущих разным формам проволоки из медного сплава, рекомендуется всегда указывать желаемый диапазон растяжения для проволоки, независимо от того, используется ли стандартное обозначение состояния.
Что такое выход материалов? Предел текучести, предел текучести и предел текучести — материаловедение и инженерия
Вы когда-нибудь сгибали скрепку и замечали, как она отскакивает? Но когда вы сгибаете его дальше, скрепки остаются постоянно изогнутыми? Предел текучести определяет максимальное расстояние, на которое можно согнуть скрепку без постоянного изменения ее формы.
Предел текучести — это граница между упругой деформацией и пластической деформацией . Перед пределом текучести материал изгибается за счет растяжения атомных связей. За пределом текучести атомы растянулись до предела, и дальнейшая деформация происходит из-за того, что атомы движутся мимо друг друга. На кривой зависимости напряжения от деформации предел текучести — это точка, в которой кривая больше не прямая.
В этой статье вы узнаете все о пределе текучести, почему он важен, как его определить, как его изменить, а также о некоторых значениях пределов текучести для обычных материалов.
Почему так важен предел текучести?
Предел текучести указывает инженерам предел текучести и предел текучести .
Предел текучести — это максимальное усилие, которое материал может выдержать без необратимых повреждений. Если приложение не предназначено для использования только один раз, максимальная сила, с которой может быть использован материал, определяется пределом текучести.
Для инженерных приложений «конструкции с ограничением прочности» инженерам необходимо знать предел текучести.
Точно так же предел текучести может определить, как далеко может изгибаться материал, прежде чем он получит необратимое повреждение. Если вы хотите использовать для чего-то пружину, вы должны поместить ее в положение, при котором она не сможет растянуться выше предела текучести.
Предел текучести — это также точка, в которой деформация материала переключается с растяжения атомной связи на движение дислокации (подробнее об этом позже). До предела текучести объем твердого тела фактически не сохраняется.
Как определить предел текучести на кривой напряжение-деформация
Кривая напряжения-деформации является наиболее важной диаграммой механических свойств.Эта кривая связывает силу (напряжение) с тем, насколько материал перемещается (деформация). Если вы никогда раньше не слышали о кривой напряжение-деформация, я рекомендую вам прочитать эту статью, которая всесторонне освещает эту тему.
Однако, если вы просто хотите освежиться, вот один в сворачиваемом тексте:
Щелкните здесь, чтобы узнать больше о кривой «напряжение-деформация»Деформация, или степень растяжения материала, отображается на оси абсцисс. Напряжение или приложенная сила отображается на оси ординат.По мере того как материал растягивается, сначала сила, необходимая для его растяжения, увеличивается линейно. Наклон этой линейной линии составляет Модуль Юнга .
В какой-то момент (мы называем эту точку пределом текучести ) зависимость перестает быть линейной. Усилие продолжает увеличиваться из-за деформационного упрочнения , но с менее линейной скоростью. В конце концов, стержень становится тонким из-за сужения , и сила, необходимая для продолжения перемещения, фактически уменьшается.
Опять же, более подробное объяснение этого поведения объясняется в другой моей статье, но пока мы собираемся сосредоточиться на пределе текучести, между упругим режимом и пластическим режимом .
Упругий режим кривой напряжения-деформации представляет собой прямолинейный участок, где применяется закон Гука. В упругом режиме вся деформация восстанавливается на 100%.
После упругого режима материал постоянно «поддается». Этот режим является пластическим, и если материал деформируется в пластическую область, деформация не восстанавливается полностью.
Предел текучести — это граница между упругим и пластическим режимами.
Ну, технически это также включает смещение на 0,2%. Переход между упругим и пластическим режимами не всегда очевиден. Некоторые инженеры могут подумать, что переход происходит сразу, на месте, в то время как другие могут подумать, что это происходит в другом месте. Что делать, если в упругом режиме есть небольшая кривая?
Чтобы избежать неправильного толкования, инженеры определили предел текучести как 0.Смещение 2%.
Чтобы найти эту точку, проведите линию, параллельную модулю Юнга (наклон прямолинейного участка). Переместите эту линию вправо до 0,2% деформации — предел текучести находится там, где эта линия пересекается с кривой напряжения-деформации.
Технически также можно определить «предел пропорциональности» как точное место, на котором кривая отклоняется от закона Гука, но «предел текучести» является гораздо более распространенным показателем.
Значение по оси Y в точке текучести называется пределом текучести или пределом текучести , а значение по оси X в точке текучести называется пределом текучести .
Хотя у большинства материалов есть предел текучести, это не универсальная особенность. Керамика имеет предел текучести в том же месте, что и точка разрушения, а полимеры могут вообще не иметь предела текучести.
Верхняя и нижняя точки доходности
В пластичных металлах на кривой «напряжение-деформация» может быть два предела текучести.
Вот одна кривая напряжения-деформации для мягкой стали (я собрал эти данные несколько лет назад).
Первый предел текучести — , верхний предел текучести .После этого стресс снижается. Затем идет нижний предел текучести , после которого напряжение может снова возрасти.
Если вы хотите знать, почему существует два предела текучести, я объясню механизмы в следующем разделе.
Что происходит при урожайности
Чтобы понять, что происходит в пределе текучести, вам также необходимо понять, что происходит на атомном уровне в упругом и пластическом режимах.
Для всех твердых тел увеличение напряжения приводит к линейному увеличению деформации (это называется законом Гука ).Эта эластичная область может быть очень маленькой или довольно широкой; однако он существует всегда, потому что все твердые тела состоят из атомов, связанных вместе.
Когда материал сначала вытягивается, атомные связи растягиваются. Они будут вести себя как пружина, поэтому действует закон Гука. В зависимости от прочности атомных связей, кристаллическая структура и другие факторы будут влиять на то, насколько далеко могут растягиваться связи.
Щелкните здесь, чтобы получить краткую информацию о коэффициенте ПуассонаЕсли вы не знаете, коэффициент Пуассона сообщает вам, насколько сильно материал сжимается в одном направлении, если он расширяется в другом направлении.Если твердое тело совершенно несжимаемо, коэффициент Пуассона будет 0,5 (если вы расширите его на 1 см в направлении z, они уменьшатся в направлениях x и y на 0,5 см, чтобы объем оставался постоянным).
Однако большинство материалов имеют коэффициент Пуассона менее 0,5, потому что атомные связи растягиваются, а объем фактически расширяется. Большинство металлов имеют коэффициент Пуассона около 0,25-0,35.
Итак, когда вы тянете материал, он расширяется, потому что растягиваются атомные связи. Если снять напряжение (ниже предела текучести), атомные связи ослабнут, и материал вернет свою первоначальную форму.
В какой-то момент (спойлер: эта точка является пределом доходности) облигации достигли максимальной эластичности. Теперь узы должны разорваться. В керамике это конец истории. Связи растягиваются до упора, а затем вся керамика разрушается.
В этом случае предел текучести будет таким же, как и предел разрушения.
Однако у металлов есть решение, позволяющее деформироваться даже тогда, когда атомные связи достигли своего предела. Атомы «проскальзывают» друг мимо друга.
Металлическая связь позволяет атомам преобразовывать связи так же легко, как и разрывать связи. В конечном итоге происходит то, что ряды атомов скользят вместе, образуя дислокацию .
В пределе текучести (или верхнем пределе текучести) сила, необходимая для перемещения дислокации, меньше силы, необходимой для растяжения атомных связей, поэтому дислокации перемещаются. Движение дислокации невозможно отменить, поэтому материал постоянно деформируется.
Однако атомные связи все еще растянуты, поэтому материал немного восстановится.
Вот почему, если вы сильно согнете скрепку, даже если она не полностью восстановит свою первоначальную форму, она все равно несколько восстановится. Когда вы убираете силу, движение дислокации не может быть отменено, но связи все равно расслабятся.
Дислокации могут отталкиваться другими дислокациями (или такими вещами, как выделения и границы зерен), поэтому, когда материал продолжает деформироваться после предела текучести, дислокации накапливаются и затрудняют деформацию материала.Это называется деформационным упрочнением .
Если у материала только 1 предел текучести, это означает, что деформационное упрочнение происходит сразу.
Если материал имеет как верхний, так и нижний предел текучести, это означает, что сначала дислокациям не с чем взаимодействовать. Есть более низкий предел текучести и плато текучести. После того, как плотность дислокаций достигает определенного значения, дислокации начинают взаимодействовать друг с другом и происходит деформационное упрочнение.
Факторы, влияющие на доходность
Есть 4 основных фактора, которые влияют на предел текучести (не считая внешних переменных, таких как температура).
Эти факторы:
- Деформационное упрочнение
- Уточнение границ зерен
- Усиление осадка
- Укрепление твердого раствора
В какой-то момент мне нужно будет написать полную статью о каждом из этих механизмов, но пока что вот краткое объяснение.
Предел текучести — это точка, в которой движение дислокации легче, чем растяжение атомной связи. Таким образом, чтобы увеличить предел текучести, вы можете увеличить прочность атомных связей (что на самом деле невозможно без полного изменения материала), или вы можете затруднить движение дислокаций.
Эти 4 механизма упрочнения препятствуют движению дислокаций.
УпрочнениеСгибали ли вы скрепку вперед и назад и заметили, что гнуть ее становится все труднее и труднее? Это упрочнение.
Каждый раз, когда вы деформируете материал или «работаете с ним», вы создаете дислокации. Представьте, что вы хотите переместить коврик, берете кусок и скручиваете его по одной петле за раз. Это в значительной степени дислокация.
А теперь представьте, что у вас на коврике 2 петли, идущие в разные стороны.Вы видите, как они сцепляются друг с другом и не дают никому двигаться? Вот почему увеличение количества дислокаций в материале затрудняет перемещение на каждой из них.
Деформационное упрочнение — это когда вы намеренно увеличиваете плотность дислокаций для достижения этого эффекта. Холодная прокатка — очень распространенный пример наклепа.
Уточнение границ зеренБольшинство материалов являются «поликристаллическими», что означает, что они имеют множество различных кристаллических зерен, которые направлены в разные стороны.Поскольку ориентация кристаллов различается между зернами, дислокации должны менять направление каждый раз, когда они перемещаются от одного зерна к другому.
Очень часто дислокации не могут перемещаться от одного зерна к другому, поэтому они просто накапливаются на границах зерен и замедляют движение дислокаций.
Если вы уменьшаете размер каждого зерна, вы увеличиваете количество каждого зерна и, следовательно, увеличиваете скопление дислокаций. Это явление описывается уравнением Холла Петча .
Зерно можно уменьшить закалкой или перекристаллизацией.
Укрепление осадкаУпрочнение осадка работает по тому же принципу, что и измельчение границ зерен. Есть и другие эффекты, но для простоты остановимся на закреплении дислокаций. Осадки — это разные фазы, которые могут присутствовать в основном сплаве.
Когда дислокация ударяется об осадок, поскольку кристаллическая структура / ориентация обычно отличается, дислокация не может пройти через осадок и будет огибать осадок.Небольшие выделения вызывают большее изгибание дислокации, что называется упрочнением по Оровану . Эти выделения могут также создавать новые дислокации посредством механизма Франка-Рида .
Однако есть также момент, когда, если осадок слишком мал, дислокация может просто его прорезать.
Но большие или маленькие выделения увеличивают предел текучести.
Упрочнение твердым растворомУпрочнение твердым раствором происходит в любом сплаве.Это означает, что один вид атома растворен в другом виде атома.
Эти атомы имеют разный размер и разные силы взаимодействия друг с другом. В результате каждый отдельный атом создает небольшую нагрузку на решетку. Эта деформация может затруднить прохождение дислокаций.
Последние мысли
Самая важная точка на кривой зависимости напряжения от деформации — предел текучести. Предел текучести показывает предел текучести и предел текучести.Это дает инженерам границы для материала.
На атомном уровне предел текучести соответствует максимальной «растяжимости» атомных связей и является точкой, где начинается атомное скольжение.