Предел упругости стали 3

Δļ и перестроенная диаграмма растяжения в осях σ

ε на основании равенств:

и

На этой диаграмме следует отметить ряд хаpaктерных участков.

Прямолинейный начальный участок диаграммы ОА. На этом участке справедлив закон Гука.

Модуль упругости E -тангенс угла наклона прямой предела пропорциональности к оси ε.

tg α = = Е (3.14)

Процесс деформирования образца обратим. Если разгрузить образец, то разгрузка пойдет по прямой АО.

Предел пропорциональности – максимальное напряжение, при котором справедлив закон Гука.

Предел пропорциональности находят из отношения нагрузки Р_пц к первоначальной площади сечения образца F, т.е.

(3.15)

Значение предела пропорциональности для малоуглеродистой стали σ_пц≈ 200÷210 МПа.

Рядом с точкой А находится точка В. В пределах участка АВ сталь ведет себя как не линейно упругий материал. Здесь нарушается пропорциональная зависимость между напряжениями и деформациями. Однако процессы нагружение — разгрузка – обратимы. Напряжение σ_у называется пределом упругости, и определить его можно так:

(3.16)

Предел упругости – это максимальное напряжение, при котором не обнаруживается признаков остаточной деформации.

Точки А и В находятся рядом, поэтому на пpaктике считается, что предел упругости σ_у и предел пропорциональности σ_пц совпадают. Для предела упругости вводится понятие условного предела упругости (3.3). Согласно стандарту условный предел упругости равен значению напряжений σ при допуске на пластическую деформацию равную 0,05 %.

Далее следует отметить почти горизонтальный участок диаграммы ВС, который называется площадкой текучести. На полированной поверхности образца в этот момент испытания наблюдаются линии скольжения Людерса — Чернова, направленные под углом 45 о и показанные на рис. 3.13. Линии скольжения впервые упоминаются в 1859 году немецким металлургом Людерсом. А потом независимо от него в 1884 году они были обнаружены русским металлургом Черновым, предложившим использовать их при экспериментальных исследованиях напряженного состояния в сложных элементах конструкций.

Эти линии возникают вследствие сдвигов за счет действия наибольших касательных напряжений τ_max

Предел текучести – это напряжение, при котором происходит рост деформаций без увеличения нагрузки. Это напряжение вычисляется так:

(3.17)

Значение предела текучести для малоуглеродистой стали σ_т ≈240 МПа.

Конструкционные стали, как правило, не имеют площадки текучести. Поэтому для них вводится понятие об условном пределе текучести. За условный предел текучести (3.17) принимается такое значение напряжения, при котором остаточная деформация составляет 0,2% и обозначается через σ_0,2.

После площадки текучести происходит дальнейший рост деформаций образца Δl, но при увеличении нагрузки Р, что отображено криволинейным участком СD. Если на этом участке образец нагрузить до некоторой точки К, а затем снять нагрузку, то последняя будет происходить по линии КК″, которая параллельна прямой начального участка ОА диаграммы. Полная деформация ε состоит из упругой ε_у и пластической, или остаточной ε_ост. Материал в точке К будет находится в упруго пластическом состоянии. Если теперь из точки произвести повторное нагружение, то это будет происходить по кривой К″К, образуя петлю гистерезиса, заштрихованную на рис. 3.12. Площадь этой петли хаpaктеризует часть энергии, которая рассеивается за счет происходящих необратимых процессов (нагревание, изменение магнитных свойств и т.п.). Как видно при повторном нагружении повышается предел пропорциональности.

Наклеп – это повышение предела пропорциональности при нагружении образца выше площадки текучести.

Поэтому участок СD диаграммы растяжения называется участком упрочнения. При дальнейшем загружении после точки К деформирование образца будет происходить точно также как при отсутствии разгрузки, т.е. по той же кривой СD. В точке D нагрузка Р достигает наибольшего значения Р_пч .

Временным сопротивлением или пределом прочности называется напряжение, соответствующее наибольшему значению нагрузки за весь процесс нагружения, который определяется по формуле:

(3.18)

Предел прочности для малоуглеродистой стали составляет σ_пч ≈ 400 МПа. При этом разрушение образца еще не происходит. В наиболее слабом его месте по длине образца начинает появляться и в дальнейшем развиваться местное сужение – шейка (рис.3.14а). В средней части сечения образца материал становится хрупким и за счет действия максимальных нормальных напряжений σ_max появляется трещина. Ближе к его поверхности в материале сохраняются пластические свойства. Пластичный материал плохо сопротивляется сдвиговым воздействиям, обусловленными максимальными касательными напряжениями τ_max, которые действуют на площадке под углом 45 0 к оси стержня. За счет развития шейки резко уменьшается площадь поперечного сечения образца. Сопротивление его растягивающей силе уменьшается, деформации растут при снижении нагрузки на участке Dm и при значении нагрузки Р_разр происходит разрыв образца. Хаpaктер разрушения его показан на рис. 3.14 б.

Хаpaктеристики прочности материала — σ_пц, σ_у, σ_т, σ_пч .

Определяют по диаграмме растяжения σ

После обмера разорванного образца вычисляют хаpaктеристики пластичности. К ним относятся относительное остаточное удлинение и относительное остаточное сужение.

Относительное остаточное удлинение (3.15) величина, определяемая по формуле

(3.19):

(для стали Ст.3 δ≈ 21 – 24 %).

Относительное остаточное сужение (3.16) величина, определяемая по формуле:

, (3.20)

F_p – площадь сечения образца после испытания в наиболее узком месте шейки. Для стали Ст.3 значение ψ ≈ 62 – 70 %).

Хаpaктеристики пластичности материала — относительное остаточное удлинение и относительное остаточное сужение.

Сталь Ст3

Сталь представляет собой материал, в котором основными элементами становятся железо и углерод, а другие вещества включаются в состав для изменения эксплуатационных качеств или контролируются в определенном диапазоне. Довольно больше распространение получила сталь 3. Она применяется для производства самых различных заготовок. Сталь Ст3 многим известна по трубам, которые применяются при создании систем теплоснабжения. Хаpaктеристики стали и ее особенности, к примеру, химический состав определяют не только широкое распространение металла, но и определенные особенности термической обработки.

Химический состав

Каждая категория стали хаpaктеризуется своим определенным химическим составом. Он во многом определяет область применения создаваемых заготовок и сложности, которые возникают при термической обработке.

Химический состав стали Ст3 делает ее одним из самых распространенных материалов, которые можно встретить на рынке. Без этого металла сложно себе представить современные строительные работы.

Ключевыми моментами, которые касаются химического состава, назовем следующее:

1. Как ранее было отмечено, основными химическими элементами являются железо и углерод. Первый элемент имеет концентрацию 97%, углерода всего 0,14-0,22%. Именно углерод определяет показатель твердости и некоторые другие физико-химические свойства структуры.
2. В состав структуры включается относительно небольшое количество легирующих элементов. Основными элементами стали хром и никель, концентрация которых составляет 0,3%. В этой же концентрации в состав включается медь.

При большом количестве разновидностей сталей у рассматриваемой жестко контролируется концентрация вредных примесей, которыми являются фосфор и сера. Кроме этого, в состав в большой концентрации входит азот, на который приходится около 0,1 массы.

Физические и механические свойства

Сталь Ст3, хаpaктеристики которой будут рассмотрены подробно, применяется в качестве основы при изготовлении просто огромного количества различных заготовок. Это можно связать с уникальными физическими и механическими свойствами. Механические свойства стали Ст3, которые контролируются при выпуске заготовок, следующие:

1. Временное сопротивление.
2. Предел текучести.
3. Степень изгиба под воздействием большого усилия.
4. Относительное удлинение.
5. Ударная вязкость при определенной температуре.

Наиболее важные технические хаpaктеристики углеродистой стали 3 следующие:

1. Поверхность имеет твердость 131 МПа.
2. Плотность стали неоднородная, вес также может варьироваться в большом диапазоне.
3. Свариваемость не хаpaктеризуется какими-либо ограничениями.
4. К отпускной хрупкости структура не склонна.

Рассматриваемые свойства стали 3 определяют ее широкое распространение именно в сфере строительства. Большое распространение получил и различный прокат, который применяется при механической обработке.

Расшифровка марок Ст3

Провести расшифровку любой марки можно в соответствии с установленными стандартами и нормативной документации. Обозначение стали по ГОСТ позволяет при расшифровке марок определить основные качества. ГОСТ 380 определяет наличие следующих разновидностей металла:

Стоит учитывать, что индексы должны применяться при любой маркировке.

Свойства различных марок Ст3

Марка материала может расшифровываться следующим образом:

1. СТ – обозначение, которое указывает на обыкновенное качество углеродистой стали. Примером назовем Ст3сп5.
2. 3 – цифра, являющаяся условным номером марки сплава. В зависимости от концентрации углерода могут применяться цифры в пределе о 0 до 6.
3. Г – в некоторых случаях может применяться подобный символ для обозначения марганца. Определенный тип стали, к примеру, Ст3гпс имеет в составе марганец 0,8%.
4. Сп – степень раскисления материала. При рассмотрении Ст3пс5 можно сказать, что структура полуспокойная, но при этом степень раскисления достаточно высокая. Обозначение «пс» применяется для полуспокойных, «кп» — кипящих сплавов.

Расшифровывается Ст3кп2 подобным образом относительно недавно. Ранее использовались другие стандарты при маркировке. Кроме этого, ранее деление металла проводилось на несколько различных групп.

Скачать ГОСТ 380-2005

Применение стали Ст3

Рассматривая различные марки стали нужно учитывать тот момент, что они классифицируются по степени раскисления. Этот химический процесс предусматривает удаление с состава кислорода. Слишком большая концентрация кислорода определяет снижение физических и механических свойств.

Классификация проводится следующим образом:

1. Спокойная хаpaктеризуется тем, что в состав входит от 0,16 до 0,3% кремния.
2. Полуспокойная имеет средний показатель концентрации рассматриваемого элемента.
3. Кипящая отличается по химическому составу от спокойной тем, что в составе содержится кремния не менее 0,05%.

Маркируется материал Ст3 соответствующим образом. Для проведения химического процесса могут использоваться различные вещества.

Стоит учитывать, что спокойная обходится намного дороже других вариантов исполнения. Это можно связать со следующими моментами:

1. Структура однородная, за счет чего повышается степень защиты материала от воздействия окружающей среды.
2. В состав входит небольшое количество кислорода, что и определяет высокие эксплуатационные качества.

При использовании спокойной стали могут изготавливать следующие изделия:

1. Прокат листового и фасонного типа.
2. Арматура и детали, которые можно применять для создания трубопровода. Для трaнcпортировки теплоносителя или газа, другой среды могут применятся различные трубы. Для того чтобы они выдерживали высокую нагрузку и воздействие окружающей среды при изготовлении должны применять материалы, обладающие прочностью и твердостью. Кроме этого, уделяется внимание и себестоимости, так как слишком дорогие сплавы могут быть менее пpaктичными в применении. Сталь 3 подходит в большей степени для изготовления подобных изделий.
3. Основные и второстепенные элементы, применяемые при изготовлении подвесных конструкций и железнодорожных элементов. В железнодорожной отрасли наиболее востребованы металлы, которые имеют невысокую стоимость и высокие эксплуатационные качества. За счет больших размеров подвесных конструкций цена одного квадратного метра также имеет большое значение.

Полуспокойная разновидность стали, применение которой также весьма широкое, в составе имеет около одного процента кислорода. За счет этого хаpaктеристики твердости и пластичности выражены в меньшей степени. При применении стали 3 могут изготавливаться:

1. Трубы. Подобный материал сегодня получил самое широкое распространение. Трубы применяются при создании отопительной системы, в качестве несущих элементов. Стоит учитывать, что трубы могут иметь различный диаметр и толщину создаваемых стенок. Рассматриваемый сплав обладает относительно невысокой коррозионной стойкостью, поэтому нужно проводить защиту поверхности от воздействия повышенной влажности.
2. Листовой прокат также применяется крайне часто, особенно при изготовлении корпусных изделий или обшивке несущих конструкций. Толщина может варьировать в большом диапазоне. Прокат листовой может применяться при холодной гибке или штамповке. Эти два процесса хаpaктеризуются высокой производительностью. Именно поэтому рассматриваемый сплав получил самое широкое распространение.
3. Квадраты и уголки часто применяются для получения несущих конструкций. Они хаpaктеризуются высокой прочностью, так как грани существенно повышают жесткость и могут распределять нагрузку. Уголки и квадраты хаpaктеризуются большим количеством параметров: толщина листа, угол расположения плоскостей, длина и форма поперечного сечения. Область применения – изготовление несущих конструкций и усиление уже существующих конструкций.
4. Различные шестигранники. Они также получили широкое распространение, могут применяться в самых различных отраслях промышленности.

Лист стальной Ст3 горячекатаный

Кипящие сплавы получили широкое распространение по причине доступности. По стоимости они самые доступные, при этом получаемая структура хаpaктеризуется высокой степенью обpaбатываемости. Кроме этого, сплав хорошо поддается термической обработке, однако эксплуатационные качества по причине высокой концентрации кислорода снижены.

В заключение отметим, что многие аналоги стали 3 обладают соответствующими эксплуатационными хаpaктеристиками. Зарубежные производители применяют собственные стандартны при маркировке. При этом концентрация вредных примесей выдерживается в определенном диапазоне. Применение самых современных технологий позволяет снизить количество фосфора и серы в составе, за счет материал становится более прочным и менее хрупким. В некоторых случаях проводится добавление легирующих элементов.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Предел упругости стали 3

В стальных конструкциях в основном применяется мягкая малоуглеродистая сталь 3 с содержанием углерода до 0,22%, которая по терминологии ГОСТ может быть разных марок (табл.1 и 2). Она хорошо сваривается, почти не закаливается и потому является весьма удобной для работы в элементах конструкций.

Прочие марки углеродистых сталей обыкновенного качества (Ст. 0, Ст. 2, Ст. 4, Ст. 5) почти не применяются в стальных резервуарах по следующим причинам: стали марок Ст. 1 и Ст. 2 менее прочны и требуют большей затраты металла на кон­струкции; сталь марки Ст. 4 с успехом могла бы применяться в стальных конструкциях, но она в основном идет на судостроение, сталь марки Ст. 5 очень жестка, а потому менее приспособлена к условиям завод­ской обработки и, кроме того, плохо сваривается, стали марок Ст. 6 и Ст. 7 как наиболее жесткие вовсе не применяются в стальных конст­рукциях; сталь марки Ст. 0 — отбpaкованная из прочих сталей, и пото­му может применяться только в нерасчетных элементах конструкций.

Все стали, применяемые в строительных конструкциях, должны обладать свариваемостью. Свариваемостью называется способность стали давать после остывания сварного шва цельное (не имеющее трещин) и прочное соединение, сохраняющее прочность и цельность в течение длительного времени при разнообразных силовых (статических и динамических) и температурных воздействиях, в том числе и при низких температурах.

Работа малоуглеродистой стали под статической нагрузкой хорошо хаpaктеризуется известной диаграммой растяжения (рис. 1), на которой четко проявляются основные точки: предел пропорциональности ( s _пц), ограничивающий упругую работу стали; предел текучести ( s _т) на площадке текучести, хаpaктеризующий пластическую работу стали; предел прочности или временное сопротивление ( s _в), хаpaктеризующий предельную нагрузку, воспринимаемую испытуемым элементом, а также относительное удлинение e при разрыве (по оси абсцисс), область самоупрочнения за площадкой текучести и др.

Предел текучести определяет границу напряжений, при которых деформации оказываются еще настолько малыми, что можно пользоваться методами расчета по упругой стадии работы материала. На площадке текучести обрывается однозначная связь между напряжениями и деформациями, определяющая сопротивление материала (одному напряжению соответствует много значений деформации — сталь течет); поэтому на площадке текучести сопротивление материала временно исчерпывается, и, таким образом, предел текучести является пределом расчетных напряжений. Относительное удлинение при разрыве хаpaктеризует пластичность стали. Склонность стали к переходу в хрупкое состояние хаpaктеризуется ударной вязкостью; поскольку эта склонность в значи­тельной степени зависит от структуры стали, ее чистоты и однородности, ударная вязкость хаpaктеризует также и структуру стали.

Рис. 1. Диаграмма растяжения стали

Сталь 3 имеет временное сопротивление s _в = 38-47 кг1мм 2 , от­носительное удлинение длинного образца e ₁₀ > 21%, бpaковочный предел текучести (при небольших толщинах) s _т = 24 кг/мм 2 , ударную вязкость а > 8 кгм/см 2 , модуль упругости Е = 2,1 • 10 6 кг/см 2 и коэффи­циент температурного удлинения a = 0,000012.

Рис. 2. Кривые распределения предела текучести стали марки Ст.3 по результатам испытаний разных лет

Сталь 3 достаточно однородна. Представление об изменчивости качеств стали дают статистические кривые рас­пределения различных ее хаpaктеристик, показывающие, как часто (в процентах) имеет место то или иное значение данной хаpaктеристики (рис. 2).

Имея достаточно большое число наблюдений, можно на основании правил математической статистики определить вероятность появления того или иного значения хаpaктеристики и принять за наименьшее или наибольшее то значение, которое определяется весьма малой (прини­маемой пpaктически за нуль) вероятностью появления меньших или больших значений. За такую минимальную величину предела текучести для стали 3 в настоящее время принимается 21 кг/мм2. Среднее, наибо­лее часто встречающееся значение предела текучести, как это видно по кривым распределения, составляет примерно 29 кг/мм2.

Величина предела текучести зависит от толщины элемента; при увеличении толщины она уменьшается.

Прочность стали в первую очередь зависит от содержания углерода. Однако углерод снижает пластичность и свариваемость, поэтому в строительных сталях, которые по условиям своей работы в конструкциях должны быть достаточно пластичными, его допускается немного — не более 0,22% (что обеспечивает и хорошую свариваемость этих сталей). Существенно повышает прочность стали без большого снижения пластичности марганец. Марганец всегда имеется в строительных сталях; наиболее часто содержание его составляет от 0,3 до 0,65%. Третьей обычно содержащейся в строительных сталях примесью является кремний. В малоуглеродистых сталях кремния обычно очень мало; однако он прибавляется искусственно для получения мелкозернистой структуры. Кремний также повышает прочность стали, но ухудшает ее свариваемость и стойкость против коррозии; поэтому желательно иметь кремния не более 0,3%. Наконец, весьма полезной, но более дорогой добавкой является медь.

Медь повышает прочность (меньше, чем марганец и кремний) и значительно увеличивает стойкость стали против атмосферной коррозии. Применение медистых сталей с содержанием 0,2 — 0,4% меди в ус­ловиях, которые способствуют интенсивной коррозии, очень полезно. Однако медь несколько ухудшает свариваемость стали.

Наряду с указанными полезными примесями в стали содержатся и вредные. Такими в первую очередь являются: фосфор, который делает сталь хрупкой при пониженных температурах (хладноломкой) и мало пластичной — при повышенных, и сера, делающая сталь красноломкой (трещиноватой при температуре 800 — 1000°) вследствие образования легкоплавкого сернистого железа. Поэтому серы и фосфора в стали должно быть очень немного; так, в мартеновской стали 3 содержание серы может составлять не более 0,055%, фосфора—не более 0.045%. Вредное влияние серы в некоторой степени ослабляется наличием марганца, который, отвлекая серу от железа, образует в соединении с ней тугоплавкий сернистый марганец.

Весьма вредными примесями являются также кислород и азот, которые могут попасть из атмосферы воздуха в металл, находящийся в расплавленном состоянии. Азот делает металл хрупким, особенно при низких температурах; кислород действует как сера, но в более сильной степени, и также повышает хрупкость стали. Поэтому расплавленную сталь (например, при сварке) необходимо защищать от воздействия атмосферы.

По способу производства сталь может быть мартеновской и конвер­торной (бессемеровской или томасовской). Более распространена мар­теновская сталь, которая значительно лучше и чище конверторной; последняя по условиям производства (продувание) бывает более засо­рена азотом и кислородом, а также пузырями воздуха; в конверторной стали больше серы и фосфора, углерода же весьма мало, так как он выгорает во время дутья. Несмотря на это прочность конверторной стали не ниже прочности мартеновской; это получается за счет прочих присадок, в том числе и фосфора.

Стали могут быть кипящие и спокойные. Кипящую сталь сразу переливают из ковша в изложницы, поэтому она оказывается более засоренной газами и менее однородной. Спокойные стали раскисляют в ковше добавлением кремния (в более редких случаях алюминия или титана), поддерживающего высокую температуру, благодаря чему газы могут выделяться в большом объеме; кремний (или алюминий), соединяясь с растворенным кислородом, уменьшает вредное влияние последнего.

При соединении с кислородом раскислители образуют в мелкодисперсной фазе силикаты и алюминаты, которые увеличивают число очагов кристаллизации и способствуют мелкозернистости стали.

Таким образом, в спокойной стали кремния больше, и по количеству кремния можно судить о том, является ли сталь кипящей или спокойной. Спокойная сталь всегда более высокого качества.

Неоднородность структуры и связанная с ней хрупкость ухудшают свариваемость стали.

Кипящие мартеновские стали в основном удовлетворяют требованиям, предъявляемым к строительным сталям, и поэтому как более дешевые являются наиболее распространенными. Однако они склонны к трещиноватости после сварки и при воздействии динамических нагру­зок, а также к старению (повышению хрупкости с течением времени), поэтому ответственные сварные конструкции следует изготовлять из спокойной мартеновской стали. Спокойные стали дороже кипящих примерно на 12%.

Качество кипящих конверторных сталей ниже, а потому они допус­каются только для неответственных клепаных конструкций, не подверженных действию динамических нагрузок и отрицательных температур (от —20° и ниже).

В настоящее время томасовская кипящая сталь в строительных конструкциях вовсе не допускается.

В ГОСТ указанные выше восемь марок малоуглеродистой стали (от Ст. 0 до Ст. 7) подразделяются на две группы и одну подгруппу:

• группа А — сталь, поставляемая по механическим свойствам;
• группа Б — сталь, поставляемая по химическому составу;
• подгруппа В — сталь, поставляемая одновременно по механическим свойствам и химическому составу.

Для стали группы А основными гарантируемыми хаpaктеристиками являются предел прочности и относительное удлинение; предел текучести и другие, механические и химические показатели обеспечиваются в границах указанных ГОСТом величин по требованию заказчика (при соответствующем повышении стоимости стали). Выбор способа изготовления (мартеновский, бессемеровский) предоставляется заводу, если нет соответствующих указаний со стороны заказчика. Поэтому при заказе стали для конструкций нужно всегда оговаривать способ изготовления стали (обычно мартеновский).

В ГОСТ учитывается зависимость предела текучести от толщины проката и устанавливается 3 разряда по толщинам:

• первый — для сортового проката (уголки, полосовая, круглая и квадратная сталь) толщиной до 40 мм, для фасонного проката (двутавры и швеллеры) толщиной до 15 мм и листового проката толщиной до 20 мм;
• второй — для сортового проката до 100 мм, для фасонного проката до 20 мм и листового проката до 40 мм;
• третий — для боль­ших толщин. В частности, для стали 3 кипящей установлены величины предела текучести соответственно 24, 22 и 21 кг/мм2, а для стали 3 спокойной — 24, 23 и 22 кг/мм2.

По требованию заказчика некоторые величины, установленные для первых двух разрядов толщины проката, могут быть повышены на 1 кг/мм2.

Механические свойства стали, поставляемой по группе А, даны в табл. 1.

Таблица 1

Механические свойства углеродистой стали обыкновенного качества Группа А

Углеродистая спокойная сталь обыкновенного качества марки Ст3сп (Ст3сп5) выпускается по ГОСТ 380 «СТАЛЬ углеродистая обыкновенного качества. Марки».

Сталь Ст3сп (Ст3сп5) используется при изготовлении горячекатаного сортового, фасонного (уголки, двутавры, швеллеры), листового, широкополосного универсального проката, холоднокатаного тонколистового проката и гнутых профилей, предназначенных для строительных стальных конструкций со сварными и другими соединениями, а также слитков, блюмов, слябов, сутунки, заготовки катаной и непрерывнолитой, труб, поковок и штамповок, лент, проволоки, метизов и др.

Химический состав

Химический состав стали Ст3сп по плавочному анализу ковшовой пробы должен соответствовать нормам, приведенным в табл. 1 (табл. 1-2 ГОСТ 380-2005).

Предел прочности

Определённая пороговая величина для конкретного материала, превышение которой приведёт к разрушению объекта под действием механического напряжения. Основные виды пределов прочности: статический, динамический, на сжатие и на растяжение. Например, предел прочности на растяжение — это граничное значение постоянного (статический предел) или переменного (динамический предел) механического напряжения, превышение которого разорвет (или неприемлемо деформирует) изделие. Единица измерения — Паскаль [Па], Н/мм ² = [МПа].

Предел текучести (σ_т)

Величина механического напряжения, при которой деформация продолжает увеличиваться без увеличения нагрузки; служит для расчётов допустимых напряжений пластичных материалов.

После перехода предела текучести в структуре металла наблюдаются необратимые изменения: кристаллическая решетка перестраивается, появляются значительные пластические деформации. Вместе с тем происходит самоупрочнение металла и после площадки текучести деформация возрастает при увеличении растягивающей силы.

Нередко этот параметр определяют как «напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация» [1] , таким образом, отождествляя пределы текучести и упругости. Однако следует понимать, что это два разных параметра. Значения предела текучести превышают предел упругости ориентировочно на 5%.

Предел выносливости или предел усталости (σ_R)

Способность материала воспринимать нагрузки, вызывающие циклические напряжения. Этот прочностной параметр определяют как максимальное напряжение в цикле, при котором не происходит усталостного разрушения изделия после неопределенно большого количества циклических нагружений (базовое число циклов для стали Nb = 10 7 ). Коэффициент R (σ_R) принимается равным коэффициенту асимметрии цикла. Поэтому предел выносливости материала в случае симметричных циклов нагружения обозначают как σ_-1, а в случае пульсационных — как σ.

Отметим, что усталостные испытания изделий очень продолжительны и трудоёмки, они включают анализ больших объёмов экспериментальных данных при произвольном количестве циклов и существенном разбросе значений. Поэтому чаще всего используют специальные эмпирические формулы, связывающие предел выносливости с другими прочностными параметрами материала. Наиболее удобным параметром при этом считается предел прочности.

Для сталей предел выносливости при изгибе как правило составляет половину от предела прочности: Для высокопрочных сталей можно принять:

Для обычных сталей при кручении в условиях циклически изменяющихся напряжений можно принять:

Приведённые выше соотношения стоит применять осмотрительно, потому что они получены при конкретных режимах нагружения, т.е. при изгибе и при кручении. Однако, при испытании на растяжение-сжатие предел выносливости становится примерно на 10—20% меньше, чем при изгибе.

Предел пропорциональности (σ)

Максимальная величина напряжения для конкретного материала, при которой ещё действует закон Гука, т.е. деформация тела прямо пропорционально зависит от прикладываемой нагрузки (силы). Обратите внимание, что для множества материалов достижение (но не превышение!) предела упругости приводит к обратимым (упругим) деформациям, которые, впрочем, уже не прямо пропорциональны напряжениям. При этом такие деформации могут несколько «запаздывать» относительно роста или снижения нагрузки.

Диаграмма деформации металлического образца при растяжении в координатах удлинение (Є) — напряжение (σ).