Металлообрабатывающая компания VT-METALL Гибкий подход – железное качество
Звоните, мы сейчас работаем:
  • Главная >
  • Блог >
  • Предел прочности металла: почему нужно учитывать этот показатель
18.12.2022
315
Время чтения: 8 минут

Предел прочности металла: почему нужно учитывать этот показатель

Редакция сайта VT-Metall
Сохранить статью:

Вопросы, рассмотренные в материале:

  • Что такое предел прочности металла по ГОСТу
  • Виды пределов прочности металла
  • Предел прочности стали
  • Особенности разных классов стали по прочности
  • Предел прочности разных видов металлов

Что такое предел прочности металла по ГОСТу

Предел прочности металла – это одна из главных механических характеристик материалов. Данный термин широко применяется в отношении металлов и сплавов в общении специалистов, однако в технических справочниках, сборниках нормативов и другой специальной литературе этот показатель принято называть временным сопротивлением.

Прочностью называют сопротивляемость стали или других материалов деформирующим или разрушающим нагрузкам, способность, подвергаясь механическим, температурным, магнитным и прочим воздействиям, сохранять целостность, структуру и форму.

Предел прочности (или временное сопротивление металла), способность к упругой деформации, предел пропорциональности, пределы упругости и текучести входят в число основных характеристик прочности на растяжение.

Для обозначения предела прочности металла принято использовать символ σв, а для измерения – килограммы силы на один квадратный сантиметр (кгс/см2) или мегапаскали (МПа).

Для испытаний прочности материалов на разрыв используют специальные стенды. При этом к образцу, один конец которого прочно зафиксирован, прилагают разрывающую нагрузку. Для создания усилия применяют электромеханические или гидравлические приводы. В ходе испытания происходит плавное увеличение нагрузки, разрывающей, скручивающей или изгибающей металлическую деталь.

Для снятия параметров усилия на разрыв и относительного удлинения образцов испытательные стенды оборудуются электронной системой контроля.

Виды пределов прочности металла

Как уже говорилось, предел прочности является одной из основных физических характеристик любых конструкционных материалов, в том числе и металлов. Этот показатель служит основой для принятия решения о возможности применения конкретных сплавов для изготовления детали или необходимости их замены более прочными.

Виды пределов прочности металла

В зависимости от вида прилагаемого усилия принято различать:

  1. Предел прочности металла при сжатии – он показывает максимальную нагрузку, при превышении которой постоянное или переменное механическое напряжение сжимает образец, деформируя или разрушая его. Статическим пределом прочности принято называть пороговую величину при постоянном напряжении, а динамическим – при переменном. Для сжатия образца посредством механической нагрузки обычно требуется небольшой временной отрезок.
  2. Предел прочности металла при растяжении – это максимальное значение механической нагрузки на образец, при превышении которого происходит его разрыв. При этом речь может идти не только о полном разрушении металлического пробника, но и о его неприемлемом истончении, что также может говорить о превышении порога напряжения. На разрыв или истончение подвергаемого испытанию тела также обычно не требуется много времени.
  3. Предел прочности металла при кручении подразумевает максимальную величину касательных напряжений, возникающих при кручении вала в его опасных сечениях, превышение которой приводит к разрушению образца. Этот показатель используют при проверочном расчете испытания на прочность, подборе сечения и определении допустимого крутящего момента.
  4. Предел прочности металла при изгибе обратно зависит от его твердости и растет при увеличении процентной доли цементирующих добавок. Иными словами, от химического состава сплавов, величины карбидных зерен и свойств цементированного слоя образца зависит прочность при изгибе.

Значительную роль при этом играет именно толщина слоя цементирующего металла в образце. С ее увеличением за счет снижения местных напряжений происходит повышение прочности и наоборот – уменьшение этого значения ведет к снижению прочности сплава. Для определения предела прочности на изгибание пользуются методикой испытания, при которой одна сосредоточенная сила, прилагаемая по центру, разрушает свободно лежащий на двух опорах образец.

Предел прочности стали

Несмотря на то, что в современном производстве стальные сплавы постепенно сдают свои позиции под напором таких новых материалов, как различные полимеры и композиты, они по-прежнему служат основным материалом, из которого выполняются ответственные элементы самых разных конструкций и деталей. Корректный расчет предела прочности металла, из которого выполнены детали, позволяет увеличивать срок их службы, добиваться максимальной прочности и безопасности.

Предел прочности стали

В зависимости от марки предел прочности металла может колебаться в диапазоне от 300 МПа у обычных сортов низкоуглеродистых конструкционных сталей до 900 МПа у специального высоколегированного сплава.

Предел прочности зависит от:

  • химического состава металла,
  • параметров термообработки (закалки, отпуска, отжига и других ее этапов).

Влияние примесей может быть как положительным, так и отрицательным. От вредных включений, снижающих прочность, сплав максимально избавляют при выплавке и прокате. Полезные для свойств сплава добавки вводят в его состав для улучшения характеристик.

Помимо предела прочности, для проведения расчета применяют связанный с ней предел текучести металла (обозначение σT). Это величина напряжения, при которой деформация нарастает без увеличения прилагаемой силы. При достижении пороговой величины начинается разрушение образца, то есть разрывается часть связей между атомами, а на остальные начинают действовать возросшие нагрузки.

Для элементов конструкций, эксплуатируемых при обычных нагрузках, наиболее важны физические характеристики сплава. Если же детали предназначены для работы под воздействием экстремальной температуры, большого давления, высокой влажности или в агрессивной среде, на первый план выходят физико-химические показатели, которые, как и механические, сильно зависят от химического состава:

  1. С повышением процентной доли углерода растут прочность и твердость металла, однако снижается его пластичность. Это происходит примерно до достижения 1%-ной концентрации углерода, а далее характеристики начинают ухудшаться.
  2. Увеличение процентной доли углерода вызывает повышение порога хладоемкости, что позволяет производить морозоустойчивые и криогенные сорта стали.
  3. Большая часть стальных сплавов содержит марганец, который позволяет вытеснить из расплавленного металла кислород и серу. Примерно до 2 % этот элемент, вводимый в состав стали, способствует улучшению ковкости и свариваемости, однако последующее увеличение процентной доли ведет к растрескиванию при термической обработке.
  4. С помощью кремния раскисляют стальные сплавы. Содержанием этого элемента определяется деление марок стали на спокойные высокоуглеродистые с процентной долей до 0,6 % и полуспокойные с еще более низким содержанием Si – до 0,1 %.
  5. Кремний в сочетании с марганцем или молибденом повышает закаливаемость сплава, а с хромом и никелем – увеличивает стойкость к коррозии.
  6. Содержание в составе металла азота и кислорода отрицательно сказывается на прочности. Кроме того, наличие в кристаллической решетке соединений этих элементов приводит, помимо ухудшения прочностных характеристик, к снижению пластичности сплавов.

Особенности разных классов стали по прочности

Различают семь классов стали. В основу классификации положены текучесть и временное сопротивление при разрыве:

  • первый класс – это сталь с пределом прочности 225 МПа,
  • три класса с временным сопротивлением от 285 до 390 МПа (со 2-го по 4-й),
  • три класса с временным сопротивлением от 440 до 735 МПа (с 5-го по 7-й).

Особенности разных классов стали по прочности

К первому классу в основном относятся обыкновенные горячекатаные углеродистые марки стали. Следующие три – прокат из низколегированных типов стали (нормализованных или горячекатаных). С пятого по седьмой – прокат термически оптимизированного металла с экономным легированием.

За исключением типа стали, относящейся к первому классу, остальные также могут быть получены с помощью термического, термомеханического упрочнения или контролируемой прокатки.

Для обозначения категорий прочности стали ГОСТ 977 от 1988 года предписывает буквенную маркировку «К» или «КТ», после которых идет указание предела текучести цифрами. Буква «К» обозначает отожженную, нормализованную или отпущенную сталь. Сорта, прошедшие закаливание и отпуск, отмечают буквами «КТ».

Кроме того, при выборе марки стали для той или иной конструкции важную роль инженеры отводят коэффициенту запаса, который, как следует из названия, отражает способность деталей выдерживать нагрузки больше расчетных. Если на одном из этапов, будь то проектирование, изготовление или эксплуатация изделий, есть ошибка, запас прочности позволяет минимизировать риск разрушения.

Предел прочности разных видов металлов

Предел прочности меди

Отожженная техническая медь при температуре +20…+22 °С (комнатная температура) обладает пределом прочности 225,5 МПа. При нагреве происходит снижение данного показателя. Также временное сопротивление может изменяться как в сторону уменьшения, так и увеличения при введении в состав медного сплава легирующих добавок или при наличии примесей.

Предел прочности алюминия

Предел прочности отожженного технического алюминия при температуре +20…+22 °С равен 78,48 МПа. Чем чище металл, тем меньше его прочность и выше пластичность. Так, для литого в землю алюминия этот показатель составляет 49 МПа.

Предел прочности алюминия

Нагревание уменьшает временное сопротивление, а понижение температуры с +27 °С до -269 °С приводит к его повышению в 4 раза для алюминия технической чистоты и в 7 раз для высокочистого. Повысить предел прочности алюминиевого сплава можно с помощью легирования.

Предел прочности обычного чугуна

Методику определения временного сопротивления определяет ГОСТ 27298 от 1987 года для испытания на растяжение отливок из чугуна.

Предел прочности серого чугуна

Согласно ГОСТ 1412 от 1985 года для серых видов чугуна принята буквенная маркировка единицы измерения предела прочности металла в виде «СЧ» и цифровое указание минимального временного сопротивления.

Данный стандарт регламентирует значение предела прочности для сплавов с пластинчатым графитом марок С410 – С435. Минимальная величина этого показателя для серых типов чугуна – от 100 до 350 МПа, а максимальная может на 100 МПа превышать значение по ГОСТу, если в технических условиях не оговаривается другое.

Предел прочности серого чугуна

Предел прочности высокопрочного чугуна

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

Чугун с шаровидным графитом сравним по прочности со сталью.

Подводя итог, следует отметить крайнюю важность предела прочности металлов для применения в современном производстве, которое с каждым днем требует все больше сплавов с высокими физическими показателями для изготовления металлоконструкций, ответственных узлов различных механизмов и других изделий. Особенную роль при их проектировке играет корректный расчет временного сопротивления металлов.

Читайте также
Получить бесплатный чертеж

Получить бесплатный чертеж

Скачать прайс

Скачать прайс

Пересчет проекта

Пересчет проекта

Позвонить бесплатно

Позвонить бесплатно

Скачать прайс

Скачать
прайс

Написать WhatsApp

Написать WhatsApp

Яндекс.Метрика