Что называют пределом прочности

Что называют пределом прочности

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):

1. кп — кипящая;
2. пс — полуспокойная;
3. 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.

Читайте также: Марки латуни и их применение

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.

При строительстве объектов обязательно необходимо использовать расчеты, включающие подробные характеристики стройматериалов. В обратном случае на опору может быть возложена слишком большая, непосильная нагрузка, из-за чего произойдет разрушения. Сегодня поговорим о пределе прочности материала при разрыве и натяжении, расскажем, что это такое и как работать с этим показанием.

Определение термина

ПП – будем использовать это сокращение, а также можно говорить об официальном сочетании «временное сопротивление» – это максимальная механическая сила, которая может быть применена к объекту до начала его разрушения. В данном случае мы не говорим о химическом воздействии, но подразумеваем, что нагревание, неблагоприятные климатические условия, определенная среда могут либо улучшать свойства металла (а также дерева, пластмассы), либо ухудшать.

Ни один инженер не использует при проектировании крайние значения, потому что необходимо оставить допустимую погрешность – на окружающие факторы, на длительность эксплуатации. Рассказали, что называется пределом прочности, теперь перейдем к особенностям определения.

Определение термина

Изначально особенных мероприятий не было. Люди брали предмет, использовали его, а как только он ломался, анализировали поломку и снижали нагрузку на аналогичное изделие. Теперь процедура гораздо сложнее, однако, до настоящего времени самый объективный способ узнать ПП – эмпирический путь, то есть опыты и эксперименты.

Все испытания проходят в специальных условиях с большим количеством точной техники, которая фиксирует состояние, характеристики подопытного материала. Обычно он закреплен и испытывает различные воздействия – растяжение, сжатие. Их оказывают инструменты с высокой точностью – отмечается каждая тысячная ньютона из прикладываемой силы. Одновременно с этим фиксируется каждая деформация, когда она происходит. Еще один метод не лабораторный, а вычислительный. Но обычно математический анализ используется вместе с испытаниями.

Определение термина

Образец растягивается на испытательной машине. При этом сначала он удлиняется в размере, а поперечное сечение становится уже, а затем образуется шейка – место, где самый тонкий диаметр, именно здесь заготовка разорвется. Это актуально для вязких сплавов, в то время как хрупкие, к ним относится чугун и твердая сталь, растягиваются совсем незначительно без образования шейки. Подробнее посмотрим на видео:

Виды ПП

Временное сопротивление разрыву определяют по различным воздействиям, согласно этому его классифицируют по:

• сжатию – на образец действуют механические силы давления;
• изгибу – деталь сгибают в различные стороны;
• кручению – проверяется пригодность для использования в качестве крутящегося вала;
• растяжению – подробный пример проверки мы привели выше.

Предел прочности на растяжение стали

Стальные конструкции давно заменили прочие материалы, так как они обладают отличными эксплуатационными характеристиками – долговечностью, надежностью и безопасностью. В зависимости от применяемой технологии, он подразделяется на марки. От самой обычной с ПП в 300 Мпа, до наиболее твердой с высоким содержанием углерода – 900 Мпа. Это зависит от двух показателей:

• Какие способы термообработки применялись – отжиг, закалка, криообработка.
• Какие примеси содержатся в составе. Одни считаются вредными, от них избавляются для чистоты сплава, а вторые добавляют для укрепления.

Предел текучести и временное сопротивление

Новый термин обозначается в технической литературе буквой Т. Показатель актуален исключительно для пластичных материалов и обозначает, как долго может деформироваться образец без увеличения на него внешней нагрузки.

Читайте также: Ванна для лужения проводов

Обычно после преодоления этого порога кристаллическая решетка сильно меняется, перестраивается. Результатом выступают пластические деформации. Они не являются нежелательными, напротив, происходит самоупрочнение металла.

Усталость стали

Второе название – предел выносливости. Его обозначают буквой R. Это аналогичный показатель, то есть он определяет, какая сила может воздействовать на элемент, но не в единичном случае, а в цикле. То есть на подопытный эталон циклично, раз за разом действуют определенные давления. Среднее количество повторений – 10 в седьмой степени. Именно столько раз металл должен без деформаций и потери своих характеристик выдержать воздействие.

Если проводить эмпирические испытания, то потребуется множество времени – нужно проверить все значения силы, прикладывая ее по множеству циклов. Поэтому обычно коэффициент рассчитывается математически.

Предел пропорциональности

Это показатель, определяющий длительность оказываемых нагрузок к деформации тела. При этом оба значения должны изменяться в разный степени по закону Гука. Простыми словами: чем больше оказывается сжатие (растяжение), тем сильнее деформируется образец.

Значение каждого материала находится между абсолютной и классической упругостью. То есть если изменения обратимы, после того как сила перестала действовать (форма стала прежняя – пример, сжатие пружины), то такие параметры нельзя называть пропорциональными.

Как определяют свойства металлов

Проверяют не только то, что называют пределом прочности, но и остальные характеристики стали, например, твердость. Испытания проводят следующим образом: в образец вдавливают шарик или конус из алмаза – наиболее прочной породы. Чем крепче материал, тем меньше след остается. Более глубокие, с широким диаметром отпечатки остаются на мягких сплавах. Еще один опыт – на удар. Воздействие оказывается только после заранее сделанного надреза на заготовке. То есть разрушение проверяется для наиболее уязвимого участка.

Механические свойства

Различают 5 характеристик:

• Предел прочности стали при растяжении и на разрыв это – временное сопротивление внешним силам, напряжение, возникающее внутри.
• Пластичность – это возможность деформироваться, менять форму, но сохранять внутреннюю структуру.
• Твердость – готовность встретиться с более твердым материалом и не получить значительных ущербов.
• Ударная вязкость – способность сопротивляться ударам.
• Усталость – длительность сохранения качеств под воздействием цикличных нагрузок.

Классы прочности и их обозначения

Все категории записаны в нормативных документах – ГОСТах, по ним все российские предприниматели изготавливают любой металлопрокат и прочие металлические изделия. Вот соответствие обозначения и параметра в таблице:

Прочность–способность материала противостоять разрушению

2. В чем заключается расчет на прочность?

Определение максимальных нагрузок до разрушения.

3. Что такое жесткость конструкции (элемента конструкции)? Жесткость – способность противостоять недопустимым деформациям и перемещениям в течение длит времени

4. В чем заключается расчет на жесткость?

В определении максимальной допускаемой деформации

5. Что означает понятие «устойчивость» в сопротивлении материалов?

Устойчивость – способность сохранять определенную первоначальную форму равновесия

6. Что такое расчетная схема?

Расчетная схема – упрощенная, идеализированная схема, отображающая наиболее существенные характеристики конструкции, определяющие его поведение под нагрузкой

7. Какое свойство тел называется упругостью?

Упругость- свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия нагрузки

8. Какой частный случай свойства упругости рассматривают в сопротивлении материалов?

Линейная упругость (закон Гука)

упругие деформации находятся в линейной зависимости от нагрузки, напряжения.

Идея и суть з-на Гука: напряжение прямо пропорционально упругой деформации

9. К каким простейшим типам с точки зрения формы сводятся различные элементы конструкций?

стержень (брус, балка, вал), пластина (плита, оболочка) и массивное тело (массив)

10. Какие объекты называются стержнями?

Стержень — элемент, длина которого превышает поперечные размеры в 5 или более раз

11. Что такое стержневая система?

Стержневая система – несущая конструкция, состоящая из стержней, жестко или шарнирно соединенных

между собой в узлах.

Различают плоские и пространственные стержневые системы.

Примеры стержневых систем: ферма, рама.

12. Какие объекты называются пластинами и оболочками? В чем состоит разница между пластинами и оболочками?

Пластины – плоские элементы, у которых толщина значительно меньше других размеров.. Оболочка Отличается тем, что имеет форму поверхности одинарной или двоякой кривизны

13. Какие тела называются объемными (массивами)?

Тела, габаритных размеров, соизмеримых между собой

14. Что означает понятие «однородность»?

Однородность – свойства материала в любой точке одинаковы

15. Что означает понятие «сплошность»?

Сплошность – способ заполнять весь выделенный объем без пустот и трещин

Читайте также: Розетка для домашнего телефона

16. Какие материалы называются изотропными?

Материалы, у которых свойства во всех напр. одинаковые

17. Какие материалы называются анизотропными?

Это материалы, обладающие различными свойствами в различных направлениях

18. Сформулируйте принцип независимости действия сил.

Результат действия группы сил не зависит от последовательности нагружения ими конструкции и равен сумме результатов действия каждой из этих сил в отдельности.

19. Какие положения сопротивления материалов обосновывают возможность применения принципа

независимости действия сил (принципа суперпозиции)?

Величины,для которых применяется принцип, связаны линейной завиимостью (з-н Гука). Деформация и перемещения – малы

20. Сформулируйте принцип Сен-Венана?

Если система сил приложена к небольшой чати тела, то напряжения и деформации в малом объеме тела, непосредственно прилегающем к месту приложения сил, зависят от от их равнодействующей и от закона распределения сил, а в остальном объеме тела, удаленном от места приложения сил, напряжения и деформации зависят только от равнодействующей этих сил

21. Какие силы называются статическими, какие динамическими?

Статические силы-это силы, которые не меняются во времени, либо меняются на столько медленно, что ими

Динамические силы-это силы, меняющиеся во времени.

22. Что такое объемная сила, ее размерность? Приведите примеры объемных сил.

Объемные силы распределены по всему объему рассматриваемого тела и приложены к каждой его точке.

[кH/м3] Пример : сила тяжести и инерции

23. Какие силы называются поверхностными?

Силы, которые действуют по поверхности.

Поверхностные нагрузки подразделяются на сосредоточенные (кН) и распределенные (по площади кН/м2 и по линии кН/м).

24. Какие силы называются сосредоточенными? При выполнении каких требований внешнюю нагрузку можно считать сосредоточенной силой?

Сосредоточенные нагрузки – силы и моменты, площадь действия которых мала по сравнению с размерами

объекта (приложены в точке).Сосредоточенные силы – площадка, по которой передается нагрузка намного

меньше по сравнению с размерами взаимодействующих тел [н], [кг].

25. Как понимать термин «число степеней свободы объекта»?

Число степени свободы – количество независимых параметров, однозначно определяющих положение

объекта на плоскости или в пространстве. На плоскости – 3. Впространстве – 6 26. Какие опорные закрепления Вы знаете, и какие реакции в них возникают?

– Подвижная шарнирная опора (а).

– Неподвижная шарнирная опора (б).

– Жесткая заделка или защемление (в).

27. Какие системы называются статически неопределимыми?

Система называется статически неопределимой, если число неизвестных в ней больше числа статических

28. Какие системы называются статически определимыми?

Система называется статически определимой, если число неизвестных в ней равно числу статических

29. Почему для определения опорных реакций в сопротивлении материалов можно использовать

уравнения статики абсолютно твердого тела?

Потому что система находится в полном равновесии

30. Какие силы называются внешними?

Силы действующие на тело извне, в результате взаимодействия с другими телами

31. Опишите метод, используемый при определении внутренних усилий.

Метод сечений: Его суть в том, что если при действии внешних сил тело находится в состоянии равновесия, то любая отсеченная часть тела вместе со всеми ее внешними и внутренними усилиями также находится в

равновесии, следовательно, к ней применимы уравнения равновесия.

32. Как вводятся понятия «внутренние усилия»? Перечислите составляющие внутренние усилия в

поперечных сечениях стержня для общего случая нагружения.

Внутренние усилия –изменения во взаимодействии между частицами, которые возникают в результате приложения внешней нагрузки.

N-нормальная сила [Н]; Qx, Qy- поперечные силы [Н]; Mz – крутящий момент [Па]; Mx, My-изгибающие

33. Что такое «эпюра внутреннего усилия»?

Эпюра – график функции, показывающий распределение внутренних усилий вдоль оси стержня.

34. Зачем строят эпюры внутренних усилий?

Эпюры внутренних усилий строят для того, чтобы определить опасные сечения.

35. Какие виды простой деформации прямолинейного стержня Вам известны (указать действующие

Растяжение-сжатие (N-нормальная сила [Н]; σ- нормальное напряжение[Н])

Изгиб (чистый и поперечный) (Qy- поперечные силы [Н]; Mx –изгибающий момент [Па])

Кручение (Мкр- момент кручения [Нм]; φ– угол поворота [рад])

36. Какие напряжения называют опасными (предельными)?

Напряжения, вызывающ разрушение элемента (при которых начинаются деф и разрушения)

37. Какое напряжение является опасным (предельным) для хрупких материалов? Почему?

Для хрупких материалов – временное сопротивление

38. Какое напряжение является опасным (предельным) для пластичных материалов? Почему?

Для пластичных материалов — предел текучести

39. Как вводят понятие «допускаемое напряжение»?

Допускаемое напряжение-значение напряжения, которое считается предельно приемлемым при вычислении

Источник https://technictips.ru/info/chto-nazyvajut-predelom-prochnosti/