Что такое предел прочности при растяжении?

Введение

Прочность — одно из основных свойств материалов, обычно подразумевающее способность материалов сопротивляться деформации или разрушению под действием внешних сил. Существует множество видов внешних сил, таких как растягивающая сила, сила сжатия и т. д. Соответственно, материалы также обладают пределом прочности на растяжение, пределом текучести, пределом прочности на сжатие и другими характеристиками. В таких областях применения, как машиностроение, инженерные конструкции и строительство мостов, предел прочности на растяжение является важным показателем, используемым исследователями, инженерами и группами контроля качества для оценки механических свойств материалов и изделий.

В этой статье компания HYT познакомит вас с концепцией, методом расчета, применением и многими другими аспектами предельной прочности на растяжение. В статье HYT будет использовать сочетание популярных объяснений и научных, строгих объяснений, чтобы новички в материаловедческой отрасли также могли понять необходимую информацию.

В конце статьи приведена таблица предела прочности при растяжении и предела прочности при растяжении распространенных материалов.

Что такое предел прочности на растяжение?

Проще говоря, в повседневной жизни каждый из нас пытался разорвать резинку руками. После приложения достаточно большой силы натяжения резинка разрывалась на две части. Это происходит главным образом потому, что сила натяжения, приложенная руками к резинке, превышает предел прочности материала резинки и в конечном итоге приводит к её разрыву. Это явление указывает на то, что напряжение, возникающее при растяжении резинки, превышает её предел прочности на разрыв, что в конечном итоге приводит к разрушению. Следовательно, предел прочности на разрыв (UTS) — это максимальное напряжение, которое материал может выдержать в процессе растяжения до разрыва.

Пластичные и хрупкие материалы

Прежде чем обсуждать типы прочности на растяжение, необходимо объяснить два понятия:, пластичные материалы и хрупкие материалы.

Пластичные материалы имеют четко выраженную точку текучести. При достижении точки текучести они переходят от упругой деформации к пластической. После достижения предельной прочности на растяжение они продолжают деформироваться, и в этот момент происходит образование шейки. Металлы, такие как сталь, алюминиевые сплавы и медь, являются пластичными материалами.

Хрупкие материалы не имеют четко выраженной точки текучести. Они не деформируются при растяжении и не подвергаются пластической деформации. После достижения предельной прочности на растяжение они сразу же разрушаются, и поверхность излома обычно имеет зернистую структуру. К этой категории относятся такие материалы, как керамика, стекло и некоторые высокопрочные легированные закаленные стали.

Типы прочности на растяжение

Материал проходит несколько стадий деформации, прежде чем растянуться до разрушения, и каждая стадия деформации соответствует различным механическим свойствам, поэтому можно измерять разные типы прочности на растяжение. Металлические материалы являются пластичными, но изменения их деформации перед разрушением не очень заметны. Для простоты понимания и наглядности мы все же выберем в качестве примера резиновые ленты с большими изменениями деформации, чтобы проиллюстрировать типы прочности на растяжение, а также проиллюстрируем изменения металлов на соответствующих стадиях.

Этап 1: Пропорциональный предел

Когда мы впервые натягиваем резинку, приложенное натяжение относительно невелико. В этот момент натяжение резинки пропорционально фактической длине деформации. Проще говоря, чем больше приложенная сила, тем длиннее резинка. Другими словами, кривая напряжение-деформация резинки приблизительно линейна в определенном диапазоне (в соответствии с законом Гука), то есть напряжение и деформация пропорциональны. В этот момент, как только мы отпустим резинку, она может распрямиться. полностью восстановлен до первоначального состояния. На этом этапе материал подвергается упругая деформация, а деформация резиновой ленты составляет обратимый.

В пределах пропорциональности металлические материалы подчиняются закону Гука, и их кривая напряжение-деформация является линейной. Кроме того, на этом этапе металл подвергается только упругой деформации и может вернуться в исходное состояние после снятия приложенной силы.

Этап 2: Предел текучести

Мы продолжаем прилагать всё большую силу, чтобы растянуть резинку, и обнаружим, что, когда резинка растянута достаточно сильно, даже если мы её отпустим, она не сможет вернуться к своей первоначальной длине и навсегда удлинится. Это означает, что резинка претерпела изменения. пластическая деформация и вызвала необратимую деформацию. Если каждый раз прикладывать большую силу, чем в предыдущий раз, резинка сама по себе будет деформироваться сильнее. необратимый деформируется и будет становиться все длиннее и длиннее.

Для металлических материалов этот этап соответствует пределу текучести. Минимальное значение напряжения, при котором материал переходит в пластическую деформацию, можно определить по упругой деформации. Металлы, как правило, имеют четко выраженный предел текучести, и как только этот предел превышен, материал не может вернуться в исходное состояние, даже если внешнее воздействие будет снято.

Этап 3: Предел прочности на растяжение

Далее мы продолжаем увеличивать натяжение резинки, и обнаружим, что материал резинки локально начинает истончаться. Это явление указывает на то, что резинка приблизилась к максимальному напряжению, которое она может выдержать в процессе растяжения. На этом этапе мы также можем измерить предел прочности на разрыв.

Для металлических материалов предел прочности на разрыв (UTS) представляет собой максимальное напряжение, которое может выдержать металл. После достижения предела прочности на разрыв металл начинает истончаться, то есть определённый участок материала становится тоньше, и этот участок становится отправной точкой разрушения. Хотя металлический материал ещё не полностью разрушился и деформация продолжается, его несущая способность фактически начинает снижаться.

Этап 4: Прочность на излом

При дальнейшем увеличении силы резиновая лента в конечном итоге порвется, поскольку не сможет выдержать возросшую растягивающую силу. Значение напряжения в момент разрушения — это предел прочности на разрыв, который мы хотим измерить.

В металлических материалах прочность на излом относится к значению напряжения, которое материал выдерживает в момент разрушения. Для хрупких материалов прочность на излом, как правило, близка к пределу прочности на растяжение. Для пластичных материалов из-за явления сужения шейки прочность на излом часто ниже предела прочности на растяжение.

Предел утомляемости и предел выносливости

Помимо четырех указанных выше пределов прочности на растяжение, существуют также предел усталости и предел выносливости.

Оба показателя используются для описания максимального напряжения, которое материал может выдержать при циклических нагрузках. Разница заключается в том, что усталостная прочность указывает на максимальное напряжение, при котором материал не разрушится от усталости. при заданном количестве циклов, При этом усталостная прочность снижается с увеличением числа циклов, а предел выносливости указывает на максимальное напряжение, при котором усталостное разрушение не произойдет. под бесконечным числом циклических нагрузок, Поэтому предел выносливости также называют пределом утомляемости.

Согласно диаграмме кривой SN, если материал имеет предел выносливости, то усталостная прочность будет приближаться к стабильному значению по мере увеличения числа циклов. Если материал не имеет предела выносливости, то усталостная прочность будет продолжать снижаться по мере увеличения числа циклов.

Как рассчитать и измерить предел прочности на растяжение

Формула расчета для UTS

В предыдущей статье мы объяснили, что UTS обозначает максимальное растягивающее напряжение, которое материал может выдержать при испытании на растяжение. Следовательно, формула для расчета UTS выглядит следующим образом:

Предел прочности на растяжение (σ) = максимальная сила растяжения (F) / площадь поперечного сечения образца (A)

Где — это максимальная растягивающая сила, возникающая при разрушении материала в ходе испытания на растяжение (единица измерения: Н).

— это исходная площадь поперечного сечения материала (единица измерения: мм²).

В Международной системе единиц предел прочности на растяжение выражается в паскалях или мегапаскалях (МПа), что эквивалентно ньютонам на квадратный метр (Н/м²).

В американской системе единиц прочность на растяжение выражается в фунтах на квадратный дюйм (lbf/in² или psi).

В имперской системе мер предел прочности на растяжение выражается в килофунтах на квадратный дюйм (ksi).

Взаимосвязь преобразования между ними заключается в следующем:

1 МПа = 1 Н/мм² = 0,145 тысяч фунтов на квадратный дюйм = 145 фунтов на квадратный дюйм

Измерение UTS

Предел прочности на растяжение металлических материалов обычно измеряется методом испытания на растяжение, а прочность материалов на растяжение измеряется в соответствии с международными стандартами, такими как ASTM E8 и ISO 6892.

Подготовка образцов

Подготовьте металлические образцы стандартной формы в соответствии со стандартом испытаний, как правило, цилиндрической или гантелевидной формы. Поверхность металлического образца должна быть гладкой и без дефектов.

Выбор оборудования

Испытания на растяжение обычно проводятся с использованием универсальной испытательной машины (УИМ), которая, как правило, оснащена гидравлической системой, обеспечивающей возможность создания большого растягивающего усилия.

Процесс тестирования

Сначала закрепите металлический образец в приспособлении испытательной машины и постепенно приложите растягивающее усилие в соответствии со скоростью деформации, требуемой международными стандартами, такими как ASTM E8 и ISO 6892. Используйте экстензометр или датчик перемещения для измерения изменения деформации образца и одновременной регистрации приложенной силы.

Определить UTS

В заключение мы получим кривую зависимости силы от смещения. С помощью этого графика мы можем определить значения предела прочности материала на растяжение на трех этапах: от упругой деформации до пластической деформации и окончательного разрушения.

Ниже вы можете посмотреть видеоролик об испытании нержавеющей стали на растяжение, подготовленный кафедрой механики твердых тел факультета машиностроения Университета UCL, чтобы увидеть изменение прочности материала на растяжение в три этапа.

С помощью этого видео мы также можем подтвердить предыдущее утверждение о том, что пластичные материалы, такие как металлы, имеют четкую точку текучести, то есть напряжение, при котором материал начинает пластически или необратимо деформироваться.

Почему важна прочность на растяжение

Предел прочности на растяжение, особенно предел прочности на разрыв (UTS), имеет очень важное значение. Определение конкретного диапазона значений UTS для различных материалов помогает инженерам определить, подходит ли материал для конкретных применений и проектов.

Аэрокосмическая отрасль

В аэрокосмической отрасли самолеты должны выдерживать сильные аэродинамические нагрузки при полетах на больших высотах. Во время полета неравномерное распределение давления воздуха на поверхности самолета вызывает растягивающие напряжения в фюзеляже и крыльях; во-вторых, любое движение фюзеляжа самолета во время полета вызывает растягивающие напряжения в конструктивных элементах из-за центробежной силы и динамических нагрузок; а в условиях большой высоты относительно низкая температура, и материал может испытывать внутренние напряжения из-за термического расширения и сжатия, что, в свою очередь, усиливает эффект растягивающих нагрузок.

Поэтому для изготовления авиационной техники, такой как конструкции фюзеляжа, компоненты шасси, лопатки двигателей и т. д., мы часто используем материалы из титанового сплава с высокой пределом прочности на разрыв (Ti-6Al-4V), что позволяет самолету в полной мере раскрыть свой потенциал, обеспечивая при этом безопасность полета.;

Строительство моста

Мостостроение – очень распространенная область нашей жизни. Мосты ежедневно выдерживают транспортные нагрузки, особенно мосты с очень длинными пролетами. Подвесные или наклонные тросы мостов постоянно подвергаются растягивающим нагрузкам. В то же время, некоторые мосты могут длительное время подвергаться воздействию сильных ветров или даже землетрясений из-за своего географического положения. Эти внешние факторы создают растягивающие напряжения в конструкции моста.

Поэтому для производства основных и подвесных тросов мостов мы часто используем высокопрочные легированные стали, такие как AISI 4140, что обеспечивает долговременную стабильность и безопасность мостов;

Автомобильное производство

Автомобильная промышленность также является областью применения материалов с высокой прочностью на разрыв. Во время движения автомобиля шасси и рама подвергаются ударным нагрузкам от неровностей дороги и периодическим растягивающим воздействиям; при резком ускорении или торможении высокоскоростного автомобиля конструктивные элементы подвергаются растягивающим напряжениям, вызванным динамическими нагрузками.

Поэтому для изготовления автомобильных рам, центральных стоек и порогов мы будем использовать сверхвысокопрочные стали, такие как AHSS, а для изготовления кронштейнов двигателя и систем подвески — алюминий 7075, что обеспечит прочность и стабильность конструкции кузова и продлит срок службы автомобиля.

Преимущества и недостатки материалов с высокой прочностью на растяжение

После объяснения в предыдущем разделе областей применения металлов с более высокой прочностью на растяжение, мы можем ясно видеть, что эти металлы обладают следующими преимуществами:

1. Высокая несущая способность

Вольфрамовый сплав — это металл со сверхвысокой прочностью на растяжение и высокой плотностью, часто используемый в условиях высоких нагрузок, например, в высокопроизводительных инструментах, бронебойных пулях и компонентах авиационных двигателей;

2. Хорошая долговечность

Титановый сплав Ti-6Al-4V известен как металл с превосходным соотношением прочности к весу, обладающий чрезвычайно высокой коррозионной стойкостью и прочностью на растяжение, и широко используется в аэрокосмической отрасли, биомедицинских имплантатах и других областях применения;

3. Хорошая ударопрочность

Сталь 17-4PH — это нержавеющая сталь с высокой прочностью на растяжение, способная выдерживать высокие ударные нагрузки без разрушения, и используется в военной промышленности, несущих конструкциях, промышленном оборудовании и других областях применения.;

4. Высокая эффективность использования материалов

Нержавеющая сталь AISI 4140 обладает высокой прочностью на растяжение. При одинаковом весе она имеет более высокую жесткость, чем обычные металлы. Поэтому высокопроизводительные гоночные и мотоциклетные рамы, изготовленные из этой стали, могут иметь относительно более легкую и компактную конструкцию. За счет уменьшения массы рамы и, следовательно, массы всего транспортного средства, можно повысить топливную экономичность, снизить нагрузку на подвеску и тормозную систему, а также увеличить срок службы и эксплуатационные характеристики транспортного средства.

Но, с другой стороны, мы должны также рассмотреть и обратную сторону высокопрочных металлических материалов.

1. Высокая несущая способность, но также означает, что материал хрупкий.

Несмотря на чрезвычайно высокую прочность на растяжение, вольфрамовый сплав обладает низкой ударной вязкостью и склонен к хрупкому разрушению, поэтому он не подходит для упругих конструкций;

2. Обладает хорошей прочностью, но сложен в обработке и имеет высокую себестоимость.

Титановый сплав обладает высокой твердостью и высокой прочностью на растяжение, поэтому для его обработки требуются специальные технологии, а стоимость и сложность обработки значительно выше, чем у стали;

3. Обладает хорошей ударопрочностью, но имеет высокую плотность и вес.

Несмотря на высокую прочность и превосходную ударную вязкость, нержавеющая сталь 17-4PH обладает значительно большей плотностью, чем титановый сплав, и не подходит для применений, требующих малого веса.;

4. Высокая эффективность использования материалов, но высокие затраты на сварку и формовку.

Несмотря на то, что хромомолибденовая сталь обладает более высокой прочностью, что позволяет снизить расход материала и частоту обслуживания рамы, она тверже, а ее первичная сварка и гибка более сложны, что напрямую приводит к увеличению производственных затрат.

Краткое содержание

Вкратце, предел прочности на растяжение — это ключевой параметр в материаловедении, указывающий на максимальное напряжение, которое материал может выдержать до разрушения. Это свойство также является важным ориентиром для HYT при выборе материалов для проектов заказчиков. Если ваш проект также сталкивается с проблемой выбора материала, пожалуйста, свяжитесь напрямую с технической командой HYT. Специалисты HYT предложат вам наиболее экономически выгодное решение по выбору материала, которое наилучшим образом соответствует потребностям вашего проекта.

Предел прочности на растяжение и предел прочности на растяжение распространенных материалов

Приведенные ниже значения взяты из Википедии и носят исключительно справочный характер.

Пластичные материалы

Хрупкие материалы

Ссылка

Предел прочности на растяжение – Википедия