Предел прочности металла: почему нужно учитывать этот показатель

Прочность – это способность стали или других материалов сопротивляться деформирующим или разрушающим нагрузкам. Это также означает способность поддерживать целостность, структуру и форму при воздействии механических, температурных, магнитных и других факторов.

Основные характеристики прочности на растяжение включают предел прочности (или временное сопротивление металла), способность к упругой деформации, предел пропорциональности, пределы упругости и текучесть.

Обозначение предела прочности металла принято осуществлять символом σв, а измерение проводится в килограммах силы на квадратный сантиметр (кгс/см2) или мегапаскалях (МПа).

Для тестирования прочности материалов на разрыв используют специализированные стенды, при этом к одному концу образца, устойчиво закрепленному, прикладывают разрывающую нагрузку. Усилие создается с использованием электромеханических или гидравлических приводов. В ходе испытания постепенно увеличивается нагрузка, вызывающая разрыв, скручивание или изгиб металлической детали.

Для измерения усилия на разрыв и относительного удлинения образцов испытательные стенды оборудованы электронной системой контроля

Разновидности пределов прочности металла

Как было отмечено, предел прочности представляет собой одну из ключевых физических характеристик конструкционных материалов, в том числе и металлов. Этот параметр служит основой для принятия решений о применимости конкретных сплавов для изготовления деталей или необходимости их замены более прочными.

В зависимости от приложенных усилий принято выделять следующие виды пределов прочности металла:

• Предел прочности металла при сжатии: Он определяет максимальную нагрузку, при которой постоянное или переменное механическое напряжение сжимает образец, вызывая его деформацию или разрушение. Статический предел прочности относится к постоянному напряжению, в то время как динамический — к переменному. Сжатие образца требует обычно небольшого временного отрезка.
• Предел прочности металла при растяжении: Это максимальное значение механической нагрузки на образец, при котором происходит его разрыв. Это может включать не только полное разрушение образца, но и его неприемлемое истончение, указывающее на превышение порога напряжения. Этот процесс обычно занимает небольшой промежуток времени.
• Предел прочности металла при кручении: Это максимальные касательные напряжения, возникающие при кручении вала в его опасных сечениях, превышение которых приводит к разрушению образца. Этот показатель используется при проверке на прочность, выборе сечения и определении допустимого крутящего момента.
• Предел прочности металла при изгибе: Этот предел обратно зависит от твердости металла и увеличивается с увеличением процентного содержания цементирующих добавок. Толщина слоя цементирующего металла в образце играет значительную роль: увеличение толщины повышает прочность, а уменьшение – снижает. Методика испытаний включает приложение сосредоточенной силы в центре образца, опирающегося на две опоры, для определения предела прочности на изгибание.

Предел прочности стали

В современной индустрии, где стальные сплавы сохраняют свою актуальность, несмотря на возрастающую конкуренцию со стороны новых материалов, лазерная резка металла выступает в роли важного технологического решения. Создание ответственных элементов конструкций и деталей из стальных сплавов требует не только высокой точности, но и сохранения максимальной прочности материала.

При правильном применении лазерной технологии обеспечивается минимальное воздействие на структурные характеристики металла, что в свою очередь способствует увеличению срока службы и обеспечивает деталям максимальную прочность и безопасность в эксплуатации. Лазерная резка, становясь эффективным инструментом в производстве стальных конструкций, поддерживает востребованность этого материала, предоставляя возможность создания высокоточных и надежных элементов для различных применений.

Предел прочности стали

Величина предела прочности металла зависит от марки и может изменяться от 300 МПа у обычных сортов низкоуглеродистых конструкционных сталей до 900 МПа у специальных высоколегированных сплавов.

Предел прочности влияет на:

• Химический состав металла.
• Параметры термообработки (закалка, отпуск, отжиг и другие этапы).
• Воздействие примесей может быть как положительным, так и отрицательным. Вредные включения, снижающие прочность, максимально устраняются при выплавке и прокатке. Полезные добавки вводятся для улучшения характеристик.

В дополнение к пределу прочности для расчетов используется предел текучести металла (σT). Это напряжение, при котором происходит деформация без увеличения прилагаемой силы. Превышение пороговой величины приводит к началу разрушения образца.

Для элементов конструкций, подвергаемых обычным нагрузкам, важны физические характеристики сплава. В случае работы деталей в условиях экстремальной температуры, высокого давления или в агрессивной среде, первостепенное значение приобретают физико-химические показатели, сильно зависящие от химического состава.

Некоторые факторы, влияющие на свойства стали:

• Процентное содержание углерода: Повышает прочность и твердость, но уменьшает пластичность.
• Марганец: Повышает ковкость и свариваемость, но избыточное количество может вызвать растрескивание при термической обработке.
• Кремний: Раскисляет сталь, определяя ее марки. Влияет на закаливаемость, стойкость к коррозии в сочетании с хромом и никелем.
• Азот и кислород: Отрицательно влияют на прочность и пластичность, особенно при наличии соединений этих элементов в кристаллической решетке.

Особенности сталей различных классов по прочности

Существует семь классов стали, классификация которых базируется на текучести и временном сопротивлении при разрыве:

• Первый класс: сталь с пределом прочности 225 МПа.
• Три класса: временное сопротивление от 285 до 390 МПа (со 2-го по 4-й).
• Три класса: временное сопротивление от 440 до 735 МПа (с 5-го по 7-й).

Особенности различных классов стали по прочности:

• Первый класс: В основном включает обыкновенные горячекатаные углеродистые марки стали.
• Второй по четвёртый классы: Включают прокат из низколегированных типов стали (нормализованных или горячекатаных).
• Пятый по седьмой классы: Включают прокат термически оптимизированного металла с экономным легированием.

За исключением стали первого класса, остальные также могут быть получены с применением термического, термомеханического упрочнения или контролируемой прокатки.

Для обозначения категорий прочности стали по ГОСТ 977 от 1988 года предусмотрена буквенная маркировка «К» или «КТ», за которой следует указание предела текучести цифрами. «К» обозначает отожженную, нормализованную или отпущенную сталь, а сорта, прошедшие закаливание и отпуск, обозначаются буквами «КТ».

При выборе марки стали для конструкции инженеры уделяют внимание коэффициенту запаса, который отражает способность деталей выдерживать нагрузки, превышающие расчетные. Запас прочности позволяет снизить риск разрушения в случае возможных ошибок на этапах проектирования, изготовления или эксплуатации изделий.

Предел прочности различных металлов

Предел прочности меди

При комнатной температуре отожженная техническая медь обладает пределом прочности в 225,5 МПа. Однако при нагреве этот показатель снижается, и временное сопротивление может изменяться в зависимости от введения легирующих добавок или наличия примесей в медном сплаве.

Предел прочности алюминия

Отожженный технический алюминий при температуре +20…+22 °С имеет предел прочности в 78,48 МПа. Чистота металла напрямую влияет на его прочностные характеристики и пластичность. Например, для литого в землю алюминия этот показатель снижается до 49 МПа.

Влияние температуры на прочность алюминия

Нагревание вызывает уменьшение временного сопротивления, в то время как понижение температуры с +27 °C до -269 °C приводит к его увеличению в 4 раза для технически чистого алюминия и в 7 раз для высокочистого металла. Повышение предела прочности алюминиевого сплава также достижимо с помощью легирования.

Предел прочности чугуна: разнообразие и методы определения

Определение временного сопротивления чугуна в соответствии с ГОСТ 27298 (1987)

Методика определения временного сопротивления чугуна при испытаниях на растяжение отливок предписана в ГОСТ 27298 от 1987 года.

Серый чугун: маркировка и предел прочности согласно ГОСТ 1412 (1985)

Серые виды чугуна обозначаются буквенной маркировкой «СЧ» и цифровым указанием минимального временного сопротивления в соответствии с ГОСТ 1412 от 1985 года. Этот стандарт устанавливает значения предела прочности для чугуна с пластинчатым графитом марок С410 – С435. Минимальные значения колеблются от 100 до 350 МПа, а максимальные могут превышать стандартные значения на 100 МПа в случае отсутствия других указаний в технических условиях.

Высокопрочный чугун: цифровой индекс и предел прочности по ГОСТ 7293 (1985)

Для высокопрочных сортов чугуна в маркировку также включается цифровой индекс, указывающий значение предела прочности при растяжении согласно ГОСТ 7293 от 1985 года. Этот показатель колеблется в пределах от 350 до 1 000 МПа.

Сравнение с шаровидным графитом: чугун и его прочность по сравнению со сталью

Чугун с шаровидным графитом, согласно исследованиям, обладает прочностью, сопоставимой со сталью.

Значимость предела прочности в современном производстве

Заключая, необходимо подчеркнуть крайнюю важность предела прочности металлов в современном производстве. С каждым днем возрастает потребность в сплавах с выдающимися физическими характеристиками для создания ответственных металлоконструкций, узлов механизмов и других изделий. В процессе проектирования особенно важен правильный расчет временного сопротивления металлов.