Предел прочности металла

Механические характеристики материалов имеют значение при планировании производства разных промышленных изделий, включая металлические. Эти показатели также играют значительную роль при строительстве объектов разного уровня сложности. Предел прочности металла – это важный показатель временного сопротивления и напряжения используемого для выплавки сырья. Он учитывается при изготовлении стали и других сплавов и касается сохранения технических характеристик под действием деформирующих и разрушающих нагрузок, оказываемых на структуру материалов температурным, механическим, магнитным путем.

Учет предела прочности позволяет сохранять целостность и форму металла, просчитать его безопасность, надежность и долговечность эксплуатации без потери качественных характеристик. Определяется эта важная единица в МПа (кгс/мм²).

Что представляет собой предел прочности металла (по ГОСТу)?

Прочность — это важное физико-химическое свойство, указывающее на сопротивление материала деформациям и разрушению. Предел прочности металла считается технической единицей, характеризующей возможности материала после воздействия на него механических, температурных и других внешних факторов, влияющих на структурную устойчивость к окружающей среде.

Знание предела прочности для металла и его сплавов позволит инженерам правильно рассчитать нагрузки для любых конструкций и устройств в процессе их будущей эксплуатации, а также улучшить свойства используемых сплавов. Проверяют величину в ходе статических или динамических испытаний. Прочность металла включает проверку сжатием под прессом – эксперты отмечают его деформацию и разломы через заданное время, затем на растяжение – механическое воздействие до истончения или разрыва материала.

Также проводятся испытания по кручению (важно для производства валов и моторов) и прочности на изгиб. Металл является основой многих конструкций, поэтому прочность, упругость, пластичность, твердость – важные характеристики, имеющие значение для выпуска безопасных, устойчивых и крепких изделий. Если будет риск повышенной деформации, то под влиянием внешних сил целостная конструкция разрушится.

Повышать прочность металлов можно:

• делая сплавы со структурой без дефектов, например выпуская металлы с нитевидными кристаллами, которые крепче стандартных в несколько десятков раз;
• легированием, выполнением специальных технических процессов, используя элементы из таблицы Менделеева;
• убирая из сплавов ненужные примеси, делающие металлы хрупкими;
• используя нагартовку с помощью поверхностной накатки или дробеструйных установок;
• закаляя сталь – нагревая ее до определенной температуры с целью улучшения ее качественных характеристик.

Сопротивление деформациям и разрушению установлено нормативными документами. В производстве и проведении испытаний используют ГОСТ 1497-84, ГОСТ 977-88, ГОСТ 19281-2014, ГОСТ 19281-2014, ГОСТ ISO 898-1-2014, ГОСТ 1497-84, ГОСТ 27772-2021 и др.

В таблицах и примерах нормативных документов указаны стандарты добавок для сплавов, указаны рекомендованные примеси (молибден, ванадий и никель, повышающие прочность), детально описана сталь – один из самых используемых в промышленности и строительстве конструкционных материалов, выпускающийся под разными марками.

Как определить предел прочности материала?

Предел прочности не является постоянным значением, он имеет погрешности и может меняться в зависимости от условий эксплуатации. Заниматься вычислением должны инженеры или специалисты с профильным образованием.

Предел прочности определяется по следующей формуле:

Пределы прочности (σ_в) ряда металлов указаны в таблицах ГОСТ. Например, предел прочности меди составляет 23 кгс/мм², алюминия – 8 кгс/мм², стали при растяжении – 40–60 кг/мм² (392–569 МПа). Если сталь подвергнуть закалке, ее предел прочности увеличится и составит 491–736 МПа. Подтверждения указанных единиц можно добиться при проведении испытаний.

ГОСТ 1497-84 одним из первых установил методики статических испытаний для анализа растяжения образцов из черных и цветных металлов с диаметром не менее 3 мм. Используемые заготовки берут из штамповки или получают их с помощью металлорежущего оборудования. При испытании материал подвергают воздействию на универсальных либо узкопрофильных разрывных машинах с использованием разной скорости нагружения.

Прочность металлов оценивают на специальной измерительной аппаратуре, например экстензометрах, которые бывают лазерными, пневматическими и гидравлическими. Устройство имеет силовой привод, измерительные и регистрирующие элементы, фиксирующие механизмы и термические камеры. После прилагаемой к образцу плавной нагрузки электронная система контроля фиксирует измеряемые параметры.

Испытания делятся на разрушающие и неразрушающие, к ним относятся визуальные осмотры с лупой, ультразвук, тестирование магнитных частиц, радиография, вихретоковый контроль, оценка использованных красящих составов, анализ герметичности. Все результаты обязательно сверяются и сопоставляются.

Разновидности пределов прочности металла

Основными разновидностями показателя считаются сжатие, изгиб, кручение и растяжение. Проверка материала при сжатии указывает пределы максимальной нагрузки, которые может выдержать образец. Он либо деформируется, либо разрушается.

Пороговая величина хорошо определяется при постоянном напряжении. Если воздействие на металл динамическое, то полученная величина будет переменной, способной к изменениям в сторону плюса или минуса технических характеристик. При испытаниях на сжатие имеет значение отрезок времени.

Пределы прочности металла при растяжении указывают на максимальное значение нагрузки на исследуемый образец, которая способна привести к разрыву. Здесь временной отрезок не имеет значения.

Прочность металла при кручении касается наибольшей величины касательных напряжений, которые возникают в процессе кручения вала с заготовкой до полного ее разрушения. Данное испытание особенно целесообразно, когда в процессе производства подбирается наиболее подходящее сечение и выясняется предел допустимого крутящего момента.

На предел прочности металла при изгибе указывает его твердость за счет элементов структуры, образующих сплав. Химический состав заготовки образует слой, который проверяют на изгиб. Здесь значительную роль играет толщина слоя материала.

Помимо обязательных испытаний, разделяющих металлы по прочности, различают также другие виды пределов их прочности – это разделение по выдержке нагрузок, которые бывают:

• статическими – медленно и долго увеличиваются от нулевого до предельного значения при стабильном механическом напряжении;
• динамическими – действуют кратковременно (удары), характеризуются ускорением частиц в структуре заготовки, отмечается предел наступающего разрушения.

Проведенные исследования по полученным результатам обязательно сверяются и сопоставляются. На предел прочности влияют не только возможности материала по устойчивости к механическим воздействиям, но сам химический состав.

Включенные добавки помогают улучшить или снизить прочность. Поэтому определение пределов для испытуемого образца связано с подбором входящих в сплав добавок. Например, для стали лучшими легирующими веществами считаются хром, углерод, фосфор, вольфрам, титан, марганец, кремний, кобальт. Такие добавки, как сера и водород, наоборот, придают материалу хрупкость.

Прочные металлы долго служат, из них можно изготавливать трубы, каркасы зданий и мостов, детали для транспорта, промышленных станков, строительного оборудования, сельхозтехники, инструментов и приспособлений – домкратов, напильников, колес, секаторов, ножниц, медицинского оборудования.

Что представляет собой предел прочности стали?

В зависимости от марки, предел показателя прочности металла колеблется в диапазоне от 300 МПа у обычных сортов низкоуглеродистой стали до 900 МПа высоколегированных сплавов. Прочность зависит от химического состава материала, проведенной термообработки (этапов закалки, отпуска, отжига), включенных примесей.

Унификация стали по гарантированным пределам прочности делит их на 7 классов:

• 1 класс (марка С225) – распространенный стандарт с нормальной прочностью.
• 2, 3, 4 класс (285–390 МПа) – повышенная прочность материала с контролируемой прокаткой.
• 5, 6, 7 классы (440–735 МПа) – высокая прочность.

Для выпуска изделий 1 класса используется углеродистая сталь в горячекатаном состоянии. 2, 3, 4 классы более низколегированные, с термомеханическим упрочнением, а 5, 6, 7 характеризуются термооптимизированными характеристиками.

ГОСТ 977-88 условно обозначил категории прочности сталей, как «К» и «КТ». К первой группе («К») отнесены нормализованные и отожженные стали, а ко второй («КТ») – стали, прошедшие закалку.

Конкурентом по прочности для разных марок стали считается чугун – сплав железа с углеродом. Предел прочности чугуна установлен ГОСТ 27208-87 и ГОСТ 1412-85.

Серый чугун (СЧ) имеет предел прочности 10–35 кгс/мм² (100-350 МПа), а высокопрочный (ВЧ) – 35–100 кг/мм² (350 до 1000 МПа).

Самым прочным считается чугун с шаровидным графитом. По своим прочностным характеристикам он не уступает высоколегированной стали, обозначаемой буквой А.

Самыми популярными у металлургов и производителей среди международных марок стали считаются: AR-RPM9, S390, S45VN, M390, M398, K390, CPM154CM, ZDP189S35VN с марганцем, ванадием и другими добавками. У отечественных промышленников классификация марок стали происходит по группам: А (Ст0-6), Б (БСт0-6) и В (В Ст0-6).

Предел прочности разных видов металлов, включая марки стали, может изменяться как в сторону уменьшения, так и увеличения. Например, у меди она составляет 225,5 МПа, у алюминия – 78,48 МПа. Предел прочности алюминиевого сплава повышается легированием.

Чем чище используемая в производстве заготовка (по примесям), использование легирующих добавок при подходящих условиях температуры, тем выше предел прочности металла. Дополнительно проведенное обогащение марок стали повышает ее прочностные характеристики и устойчивость во внешней среде.

Современные добавки не только повышают качество и технические характеристики металлов, но и создают антикоррозионную структуру. Металл не будет бояться воды, атмосферных перепадов (высоких/низких) температур и воздействия химических реагентов.

Металлы от коррозии защищают поверхностной оцинковкой, а введение в состав алюминия делает структуры устойчивее к внешней среде в несколько раз. При этом конструкции получаются более легкие.

Стоит отметить крайнюю важность знания предела прочности металлов как одного из важных свойств, определяющих эксплуатационные характеристики различных изделий. Учитывая показатели, можно просчитать сроки службы, устойчивость и безопасность любых проектов.

Развивающееся современное производство нуждается в большом количестве сплавов с высокими физическими показателями. Область их применения широка – изготовление металлоконструкций, узлов разных промышленных механизмов и бытовых устройств, изготовления заготовок (болванок), метизов, крепежей. При определении прочности металла большое значение уделяется расчету временного сопротивления.

Знание важного показателя – предела прочности металлов – считается важным для инженеров и конструкторов. Он позволяет просчитать, насколько безопасными будут конструкции, выполненные из того или иного сплава. На масштабных проектах подбор подходящего материала позволит предотвратить аварии и разрушения.

15.01.2024