Прочность металла: что это такое, зависимость от вида металла, способы измерения предела прочности

Во время строительства объектов используют расчеты характеристик стройматериалов во избежание разрушения из-за непосильной нагрузки. От прочности металла зависят сроки эксплуатации деталей или заготовок, устойчивость и безопасность конструкций. Прочность определяется как способность твердого материала выдерживать внешнюю нагрузку.

Прочность - это возможное сопротивление материала под действием магнитных, механических разрушений и высокотемпературных деформаций или других нагрузок, прилагаемых извне. Это свойство металла или сплава зависит от химического состава, технологии изготовления, например, отпуск, закалка, отжиг. Примеси влияют на прочность как положительно, так и отрицательно. Легирующими компонентами сталей являются вольфрам, хром, ванадий, кремний, марганец, титан, кобальт, фосфор, углерод. А наличие водорода, серы и других химических элементов, наоборот, делают сталь хрупкой. При деформировании твердого тела внутри него возникают внутренние силы.

Прочность металлов – это критически важный аспект в области конструкционных материалов, особенно при проектировании и изготовлении изделий, подвергающихся значительным нагрузкам. Существует несколько популярных марок металлов, каждая из которых обладает уникальными свойствами и подходит для конкретных технических задач. В данной статье мы рассмотрим особенности некоторых наиболее востребованных металлов, таких как нержавеющий сталь, углеродистая сталь, алюминиевые сплавы, латунь и бронза.

Примеси, входящие в сплав в зависимости от химических элементов, усиливают или ослабляют прочность. От вредных включений сплава избавляются во время выплавки и проката.

Выбор металла для конкретного проекта зависит от множества факторов, включая механические и химические свойства материала, условия эксплуатации и специфические требования к прочности и долговечности. Обработка металлов, такая как токарная обработка, гибка или 3D печать, должна учитывать эти характеристики для достижения наилучших результатов.

Важно учитывать, что каждый металл обладает уникальными особенностями, которые делают его больше или меньше подходящим для различных применений. Поэтому, перед выбором материала, необходимо провести полное исследование его свойств и возможностей. Современные технологии и методы исследования данных позволяют находить оптимальные решения даже в самых сложных и нестандартных случаях.

Разновидности металлов и их прочность

Нержавеющая сталь известна своей устойчивостью к коррозии благодаря легированию хромом и никелем. Это делает его идеальным выбором для медицинских и аэрокосмических приложений, где требования к гигиене и долговечности особенно высоки. Также, этот металл часто используется в пищевой промышленности и архитектуре.

Углеродистая сталь обладает повышенной прочностью за счет высокого содержания углерода, что делает ее подходящей для строительства и тяжелой промышленности. Однако устойчивость металла к коррозии ниже, чем у нержавеющей стали, поэтому важно применение соответствующих методов защиты, включая сварку и покрытия.

Алюминиевые сплавы ценятся за их легкость и простоту обработки, что делает их идеальными для автомобильной промышленности и аэрокосмических конструкций. Кроме того, металл алюминий обеспечивает хорошую устойчивость к коррозии и способен выдерживать экстремальные температурные условия.

Латунь и бронза, как сплавы на основе меди, известны своими антикоррозионными свойствами и акустическими качествами. Латунь часто используется в строительстве, декоративных целях и производстве музыкальных инструментов. Бронза же служит для создания произведений искусства и в машиностроении.

Классификация стали по прочности

Сталь делится на семь основных категорий, каждая из которых классифицируется на основе её текучести и предела прочности при растяжении:

• первая категория: сталь с максимальной прочностью 225 МПа;
• со второй по четвёртую категории: прочность варьируется от 285 до 390 МПа;
• с пятой по седьмую категории: прочность варьируется от 440 до 735 МПа.

Описание различных категорий стали по их прочности выглядит следующим образом:

• первая категория: в основном содержит обычные углеродистые стали, произведённые горячей прокаткой;
• со второй по четвёртую категории: включают в себя стали, произведенные из низколегированных сплавов, которые могут быть нормализованны или горячекатаны;
• с пятой по седьмую категории: охватывают стали, прошедшие термическую обработку для оптимизации и экономичного легирования.

За исключением стали первой категории, остальные типы могут также производиться с использованием различных методов упрочнения, включая термическое, термомеханическое или метод контролируемой прокатки.

Согласно ГОСТ 977, который датируется 1988 годом, для обозначения прочностных характеристик стали применяется буквенный код "К" или "КТ", дополненный числовым значением предела текучести. "К" указывает на сталь, которая прошла отжиг, нормализацию или отпуск, в то время как маркировка "КТ" присваивается сталям, подвергшимся закалке и последующему отпуску.

При выборе подходящей марки стали для конструкций инженеры особое внимание уделяют коэффициенту запаса прочности, который позволяет компонентам выдерживать нагрузки, превосходящие расчетные значения. Этот запас прочности важен для снижения риска разрушения изделий из-за возможных ошибок на этапах проектирования, изготовления или эксплуатации.

Предел прочности

В ГОСТе 1497-84 имеются методы испытаний образцов из цветных, чёрных металлов. Сечение или диаметр заготовок, полученных в результате штамповки, с помощью ножниц или металлорежущего оборудования не должен быть меньше 3 миллиметров. Также, как и испытываемые стальные заготовки цилиндрической либо плоской формы. При измерении характеристик пользуются тензометрами, штангенциркулями, микрометрами. Для фиксирования результатов строят диаграммы растяжения в виде графика, демонстрирующего зависимость напряжения от деформации.

Чтобы узнать предел прочности металла, проводят опыты и эксперименты при различных внешних воздействиях в виде растяжения или сжатия, с учетом неблагоприятных климатических условий, влияющих на длительность службы.

Предмет из вязких сплавов подвергается растягиванию на испытательных стендах либо узкопрофильных разрывных машинах, прочно зафиксировав один край, к другому прилагают разрывающую, скручивающую или изгибающую нагрузку с помощью электромеханических или гидравлических приводов, которая плавно увеличивается.

Происходит удлинение с сужением поперечного сечения и образованием шейки с самым тонким диаметром, именно здесь заготовка разорвется. Хрупкие сплавы, например, чугун и сталь, растягиваются незначительно без образования шейки. В испытательных стендах имеется электронная система контроля, чтобы снимать параметры усилия на разрыв и относительного удлинения образцов. Специальные приборы для измерения прочности называются экстензометрами, которые делятся на лазерные, пневматические, гидравлические.

Некоторые модели оснащаются дополнительно термической камерой для нагревания при анализе огнеупорности. предел прочности металла обозначается символом σв и измеряется – килограммы силы на один квадратный сантиметр (кгс/см2) или мегапаскали (МПа). с помощью испытаний на растяжение определяют временное сопротивление, удлинение.

Виды пределов прочности металла

Когда изготавливают детали, то с помощью предела прочности металла судят о возможном применении сплавов или их замене на более прочные.

В пределах прочности металлов обычно рассматриваются два основных вида: статический и динамический.

1. статический предел прочности металла:
• это максимальное значение механической нагрузки, которую материал может выдержать без разрушения при постепенном и медленном увеличении нагрузки. Процесс увеличения нагрузки начинается от нуля и доходит до предельного значения, которое затем может сохраняться в течение длительного времени;
• статическая прочность важна для конструкций и элементов, испытывающих постоянные или медленно изменяющиеся нагрузки, например, в строительстве или в машиностроении, где нагрузки остаются относительно стабильными в течение долгого времени.
2. динамический предел прочности металла:
• определяет способность материала сопротивляться нагрузкам, возникающим в результате быстрых и кратковременных воздействий, таких как удары или вибрации. Нагрузка при этом увеличивается с большой скоростью и достигает высоких значений в течение короткого времени, часто всего нескольких секунд;
• динамическая прочность критически важна в автомобилестроении, авиастроении и других областях, где материалы подвержены ударным нагрузкам, которые могут возникать при авариях, при посадках самолётов или при эксплуатации в условиях высокой вибрации.

Каждый вид предела прочности тестируется и анализируется по-разному, что позволяет инженерам выбирать материалы и проектировать конструкции в соответствии с требованиями к надёжности и безопасности, исходя из условий эксплуатации.

Учитывая вид прилагаемого усилия, предел прочности металла бывает:

• при сжатии – постоянное или переменное механическое напряжение, сжимающее образец, превышение которого приводит к деформации или разрушению. Статический предел прочности максимальная величина постоянного напряжения, а динамический –переменного. Чтобы сжать образец с помощью механической нагрузки требуется немного времени;
• при растяжении – значение механической нагрузки, превышение которого наступает разрыв. Обычно разрыв или истончение испытуемого образца происходит за короткий промежуток времени;
• при кручении - максимальная величина касательных напряжений, в опасных сечениях крутящегося вала, из-за превышения которого разрушается образец. показатель используется для проверочного расчета во время испытания на прочность, подбора сечения и определения допустимого крутящего момента;
• при изгибе представляет собой обратную зависимость от твердости образца и увеличивается с ростом доли цементирующих добавок и величины карбидных зерен.

Чтобы определить предел прочности на изгиб, одну сосредоточенную силу прилагают в центр образца, который свободно лежит на двух опорах.

Механические свойства металла

• твердость – способность тела сохранить целостность без значительных ущербов после воздействия более крепкого вещества;
• ударная вязкость – способность сопротивляться ударам;
• текучесть - показатель обозначаемый буквой Т, называется текучестью и характеризует способность пластичных образцов к деформации и изменении формы с сохранением внутренней структуры без увеличения внешней нагрузки. Процесс длится до сильного изменения и перестройки кристаллической решетки, влияющих на пластические деформации;
• предел упругости - свойство вещества, максимальное напряжение нагрузки, после снятия которой не возникает остаточных (пластических) деформаций;
• свойство, обозначаемое буквой R, называется усталостью. Усталость показывает уровень воздействия цикла определенных силовых нагрузок на тело без деформирования и потери качеств;
• свойство, обозначаемое σПЦ, называется пределом пропорциональности, которое показывает максимальную длительность нагрузки к возможной деформации тела. численные показатели меняются по закону Гука: деформируется является прямо пропорционально оказываемому силовому воздействию (сжатию или растяжению). В случае обратимых изменений, когда сила не действует и форма становится прежней, например, при сжатии пружины, качества не являются пропорциональными;
• плотность - это отношение массы тела к его объему;
• пластичность - это свойство, при котором при деформации (изменении формы куска металла) ионы лишь смещаются относительно друг друга, но разрыва не происходит.

Как определяют твердость металла

Твердость стали проверяют с помощью шарика или конуса из алмаза, вдавливаемого в образец. Чем крепче материал, тем меньше след. У мягких сплавов отпечаток более глубокий с широким диаметром. Еще один вариант – проверка на удар наиболее уязвимого участка заготовки с заранее сделанным надрезом.

Как определяют прочность металлов

Измерительные методики бывают:

• неразрушающими с сохранением целостности заготовок для повторного использования с использованием луп при визуальном осмотре, вовремя вихретокового контроля, ультразвукого исследования и тестирования магнитных частиц, а также при оценке герметичности и проникновения красящих составов, анализа радиографии;
• разрушающими для изучения свойств, с существенными изменениями структуры за счет механических проверок на усталость, твёрдость, износ, удары, изгибы, растяжения, твёрдость. Обычно один образец делят на две части, после испытания разными методами, результаты сверяют и сравнивают.

На что показатель прочности может влиять

От прочности металла зависит:

• износостойкость металла;
• сопротивление металла давлению, кручению, растягиванию, ударам, вибрация;
• сохранение первоначальных форм металла, строения при механических нагрузках;
• срок службы изделий;
• способ термообработки металла: варка, литье, резка, штамповка, фрезеровка, обжиг, закалка;
• придание деталям и заготовкам нужной конфигурации;
• применение металлических изделий в промышленности;
• прочные материалы применяются при изготовлении сельхозтехники, транспорта, промышленного и строительного оборудования, различных инструментов.

Как повышать прочность стали

Для увеличения прочности металла используются два основных способа:

• добавка примесей;
• термообработка, например, закалка.

Полезные добавки в металле:

• хром – увеличивает твёрдость;
• молибден – защищает от ржавчины;
• ванадий – для упругости;
• никель – хорошо влияет на прокаливаемость, но может привести к хрупкости.

Характеристики разных материалов, металлы с максимальной прочностью

Рассмотрим значения для наиболее распространённых сплавов и металлов:

• медь – около 225 МПа при нормальных температурах;
• технический алюминий, прошедший отжиг, – 78,5-80 Мегапаскалей;
• чугун: сырые типы – порядка 100-350 МПа, а высокопрочные, качественные сорта – от 350 единиц до максимальных 1000;
• железо – около 250 МПа;
• магний – порядка 170 Мегапаскалей;
• свинец – всего 18 МПа;
• олово – 20 единиц.