Предел текучести металлов и сплавов – механическая характеристика, показывающая напряжение на материал, которое вызывает увеличение деформаций без дальнейшего роста нагрузки. Иными словами – это значение нагрузки, при достижении которого конструкции из металлов начинают необратимо деформироваться. Данная характеристика особенно важна для пластичных сплавов, поскольку необратимые деформации в отличие от упругих деформаций меняет не только форму, размеры изделий и конструкций, но и структуру металлов, а, следовательно, их прочность и пр.
Зачем необходимо знать предел текучести?
Предел текучести – минимальный показатель, указывающий на начало необратимых деформаций металлов. При достижении заданного значения начинается разрушение деталей, конструкций, что может привести к серьезным последствиям – вплоть до человеческих жертв, если речь идет о строительных металлоконструкциях. Понятие предела текучести связано с теорией сопротивления металлов, пластичными деформациями и упругостью, а также хрупкостью и прочностью.
На практике знание предела текучести металлов и сплавов позволяет при изготовлении и обработке деталей, конструкций, в строительстве, машиностроении и других сферах сократить используемое количество материала без ухудшения прочностных характеристик. Соответственно, с уменьшением количества металла удается сократить вес конструкций, а в некоторых случаях это является критически важным фактором. Более легкие, но прочные металлоконструкции удешевляют строительство, производство.
Определение предела текучести
Формула для определения предела текучести материалов имеет следующий вид:
ττ=G/2π, где G – модуль сдвига, характеризующий устойчивость межатомных связей.
При определенном воздействии на металлы и сплавы атомы одной части изделия (конструкции, заготовки) теряют связь с атомами другой части. В 30-х годах XX века советский физик-теоретик Яков Френкель предположил, что для пластических деформаций материалов необходим разрыв межатомных связей в плоскости, делящей тело пополам. На практике же это происходит не в середине тела, а в месте, где материал, из которого изготовлено тело, имеет неоднородную структуру.
Виды предела текучести металлов и сплавов
Для металлов, сплавов (в основном – стали) выделяют 2 вида предела текучести:
- Физический. Это традиционная характеристика, показывающая значение напряжение, при достижении которого изделия или конструкции деформируются без роста нагрузки на них.
- Условный. Значение напряжение, при котором достигается пластическая деформация в 0,2%.
Методы испытаний металлов и сплавов для определения предела текучести
Испытания металлов и сплавов завод металлоконструкций проводит в соответствии с действующим стандартом ГОСТ 1497-84. Образцы получают на металлорежущих станках или иным способом с учетом изменения свойств при нагреве, наклепе (предусматриваются припуски). Испытания и измерения проводят с помощью испытательных машин и измерительных инструментов, отвечающих требованиям соответствующих стандартов, применяемых к ним.
Подготовка образцов к испытаниям включает в себя:
- измерения геометрических размеров для вычисления начальной площади поперечного сечения;
- измерения начальной расчетной длины;
- нанесение меток.
Физический предел текучести σ = Pт/F0, где Pт – это напряжение, а F0 – первоначальная площадь поперечного сечения. Т.о. при испытаниях в заводских условиях необходимо определить Pт по диаграмме растяжения на испытательной машине. Диаграмма должна иметь такой масштаб, чтобы 1 мм соответствовал напряжению 10 Н/мм2. Для производителей металлоконструкций и изделий, деталей из металлов и сплавов, проектировщиков, строителей необходимо знать усилия, соответствующие пределу текучести физическому, нижнему и верхнему пределу текучести.
Условный предел текучести для сплавов с малой пластичностью может определяться как по диаграмме, так и без её использования с применением микропроцессорной вычислительной техники.
Испытания на определение предела текучести прекращают после того, как удлинение превышает установленную величину. Усилие, соответствующее условному пределу текучести – это прикладываемое усилие, при котором достигается заданное значение остаточного удлинения.
После завершения испытаний полученные результаты заносятся в протокол установленной формы. Если в процессе испытаний происходит разрыв образца по рискам, в захватах испытательного оборудования, по дефектам изделия, то результаты не учитываются.
Влияние состава сплава на предел текучести
В отношении стали выявлены следующие изменения предела текучести в зависимости от количественного и качественного состава сплава:
- Углерод – 1,2% является оптимальным значением для придания стальному сплаву прочности и стойкости к температурным воздействиям. Большее содержание углерода ухудшает характеристики стали
- Марганец – не оказывает влияние на предел текучести.
- Сера – при большом количестве существенно снижается предел текучести.
- Фосфор – способствует увеличению предела текучести, но при его большом содержании снижается пластичность и вязкость стали.
- Азот – предел текучести уменьшается, но увеличивается прочность.
Заключение
Знание усилий, соответствующих пределу текучести конкретного сплава, позволяет решать сразу несколько задач:
- Определение толщины металлоконструкций, достаточной для использования в строительстве, производстве, машиностроении и других сферах для снижения расхода материалов и веса конструкций, машин, сооружений, и оказываемых ими нагрузок.
- Исключение разрушения, обрушения конструкций, недопустимых деформаций деталей.
- Повышение качества конструкций и изделий за счет роста предела текучести без ухудшения других характеристик за счет легирующих добавок.
На основе допустимых усилий определяют максимальную нагрузку, которую может выдержать изделие из металлов или сплавов в условиях эксплуатации.
