Предел прочности материала при растяжении - формула, характеристики и расчеты

Значение термина

Предел прочности материала при растяжении сокращённо обозначается ПП. Также допускается использовать выражение «временное сопротивление». Для обозначения предела прочности применяют буквы R или σ В (сигма). Единица измерения — мегапаскаль (МПа). Показатель означает допустимую величину силы, которая может воздействовать на объект до того, как он начнёт разрушаться. Речь идёт о механическом воздействии, но следует учитывать, что химические факторы способны изменить первоначальные свойства материала, в том числе повлиять на ПП. К немеханическим нагрузкам относят следующие:

• нагревание;
• охлаждение;
• погодные условия (ветер, осадки, влажность);
• агрессивная среда.

Формула предела прочности при растяжении записывается так: R=0,64 (P/F), где F — площадь поверхности раскола предмета, а P — разрушающая нагрузка. При проектировании нельзя опираться на крайние значения, поэтому инженеры оставляют допуски на различные факторы, а также на период эксплуатации. Это значит, что при строительстве используется материал, у которого ПП превышает расчётное напряжение.

Изначально способность элемента выдерживать нагрузки определяли опытным путём. Материал использовали, не зная, как он себя поведёт во время эксплуатации, а после поломки заменяли более прочным. Со временем перешли к экспериментам и испытаниям, и по-прежнему самый точный способ найти предел прочности при натяжении и разрыве остаётся эмпирический.

Исследования проводят в лабораторных условиях, с использованием точной техники. Приборы фиксируют характеристики материала и то, как они изменяются под нагрузкой разной величины. Как правило, прочность измеряется так: предмет жёстко закрепляют и оказывают на него воздействие.

Сначала закреплённый элемент растягивают. Он становится длиннее, при этом в одном месте образуется перешеек, и именно здесь заготовка разорвётся. Так ведут себя не все материалы, а только вязкие. Чугун, сталь и другие хрупкие сплавы растягиваются незначительно. При увеличении нагрузки они трескаются и разрушаются по наклонным плоскостям. Шейки не образуются.

Сила, прикладываемая в каждый момент, измеряется с точностью до тысячных долей ньютона. Одновременно определяют размер и характер деформации. Данные сверяют с таблицами.

Второй способ — математический анализ. Он заключается в том, что прочность определяют с помощью сложных вычислений. Однако без испытаний данные, полученные расчётным путём, нельзя считать полными. Дело в том, что на практике вещество может повести себя по-другому.

Классификация параметра

Материал обладает временным сопротивлением в ответ на воздействия разного характера, поэтому характеристику классифицируют на несколько групп. Усилия, которым подвергается заготовка или конструктивный элемент:

• Растяжение. Изделие тянут за края с помощью специальной машины.
• Кручение. Предмет помещается в условия, при которых работает крутящий вал.
• Изгиб. Заготовку сгибают и разгибают в нескольких направлениях.
• Сжатие. На материал давят попеременно с разных сторон.

У одного и того же материала ПП может различаться. В качестве примера можно привести сталь. Она используется чаще, чем другие сплавы, потому что стальные конструкции показали себя как наиболее прочные, долговечные и устойчивые к неблагоприятным факторам. При этом они надёжны и не выделяют в атмосферу вредных веществ.

Существует несколько марок стали. Они производятся по разным технологиям, и в зависимости от этого различаются характеристики заготовок и конструкций. У обычных марок ПП составляет 300 Мпа. По мере увеличения содержания углерода прочность увеличивается. Самые твёрдые марки имеют показатель 900 МПа. Факторы, от которых зависят прочностные характеристики:

• количество полезных и нежелательных примесей;
• способ термической обработки (криообработка, закалка, отжиг).

Временное сопротивление и усталость

Между ПП и временным сопротивлением различным нагрузкам есть прямая связь. Второй показатель в документации и технической литературе обозначают символом Т. Он показывает, сколько длится деформация образца, когда на него воздействует постоянная нагрузка. Когда временное сопротивление прекращается, кристаллическая решётка вещества перестраивается. Это характерно для твёрдых материалов. В результате вещество становится более прочным, чем было до этого. Это явление называется самоупрочнением.

Ещё одна важная характеристика — усталость металла. Говоря о стали, применяют выражение «предел выносливости». Для обозначения используют символ R. Эта характеристика показывает, воздействие какой силы материал может переносить постоянно, а не разово. Во время эксперимента на образец оказывают давление заданной силы. Число воздействий составляет 10⁷. За время испытаний материал не должен деформироваться или утратить исходные характеристики.

На проведение таких экспериментов уходит много времени, поэтому их проводят не всегда. Часто обходятся математическими вычислениями, рассчитывая все важные коэффициенты.

Пределом пропорциональности называют максимальную нагрузку, при которой сохраняется соотношение, определяемое законом Гука. Согласно ему, тело деформируется прямо пропорционально величине оказываемого на него воздействия. Каждый материал обладает определённой степенью упругости. Она может быть классической и абсолютной. Изменения могут быть обратимыми и необратимыми. Пример первого типа — пружина: пока на неё воздействуют, она сжимается, а когда нажатие прекращается, расправляется.

Определение характеристик

Материалы обладают не только прочностным пределом, но и другими характеристиками. В случае со сталью это твёрдость и способность воспринимать ударные нагрузки. Испытания проводят следующим образом: в заготовку вдавливают алмазный конус или шар. Алмаз — эталон твёрдости. Размер следа зависит от того, насколько крепок испытуемый образец. Чем от мягче, тем больше отпечаток, и наоборот.

Прочность на удар рассчитывают так: на образце делают срез, затем ударяют. Результаты показывают характеристику для участка, который наиболее уязвим. Другие механические свойства, для которых получают данные эмпирическим путём:

• Пластичность. Она показывает, до какой степени образец может изменять форму, сохраняя исходную структуру.
• Усталость. Эта категория отображает, как долго материал не теряет свойства, испытывая длительные нагрузки.
• Ударная вязкость. Характеристика означает, в какой степени вещество способно сопротивляться ударному воздействию.

По прочности вещества делятся на классы. Они различаются по одной или нескольким характеристикам. Так, для двух классов показатели ПП могут быть одинаковыми, а значения относительного удлинения или текучести — разными.

Удельная прочность — величина, производная от предельной. Её получают путём деления исходного показателя на плотность материала. Практическая ценность расчёта состоит в том, что знание характеристики позволяет применять материал для различных целей, а не просто располагать данными о ПП. Показатель меняется в зависимости от объёма, толщины и веса изделия. Пример: тонкий лист легче деформировать, чем толстый.

Предел прочности и пластичность тесно связаны. Чем меньше второй параметр, тем быстрее разрушается образец. Материалы, у которых высокая пластичность, лучше поддаются обработке, они пригодны для изготовления деталей путём штамповки. Пример: элементы кузова штампуют из листов стали. Если у сплава невысокая пластичность, он относится к хрупким, хотя может быть иметь отличные показатели твёрдости. Одно из таких веществ — титан. Он плохо изгибается и тянется, но по твёрдости превосходит многие другие сплавы.

Для улучшения прочностных характеристик в материалы вводят добавки. Другой способ — термообработка.