Что такое упругость металла


МЕТАЛЛОВ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

МЕТАЛЛОВ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. Когда на металлический образец действует сила или система сил, он реагирует на это, изменяя свою форму (деформируется). Различные характеристики, которыми определяются поведение и конечное состояние металлического образца в зависимости от вида и интенсивности сил, называются механическими свойствами металла.

Интенсивность силы, действующей на образец, называется напряжением и измеряется как полная сила, отнесенная к площади, на которую она действует. Под деформацией понимается относительное изменение размеров образца, вызванное приложенными напряжениями.

УПРУГАЯ И ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, РАЗРУШЕНИЕ

Если напряжение, приложенное к металлическому образцу, не слишком велико, то его деформация оказывается упругой – стоит снять напряжение, как его форма восстанавливается. Некоторые металлические конструкции намеренно проектируют так, чтобы они упруго деформировались. Так, от пружин обычно требуется довольно большая упругая деформация. В других случаях упругую деформацию сводят к минимуму. Мосты, балки, механизмы, приборы делают по возможности более жесткими. Упругая деформация металлического образца пропорциональна силе или сумме сил, действующих на него. Это выражается законом Гука, согласно которому напряжение равно упругой деформации, умноженной на постоянный коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости: s = eY, где s – напряжение, e – упругая деформация, а Y – модуль упругости (модуль Юнга). Модули упругости ряда металлов представлены в табл. 1.

Таблица1. Модули упругости металлов
Таблица 1
Металл Вольфрам Железо (сталь) Медь Алюминий Магний Свинец
Модуль Юнга,
105 МПа
3,5 2,0 1,1 0,70 0,45 0,18

Пользуясь данными этой таблицы, можно вычислить, например, силу, необходимую для того, чтобы растянуть стальной стержень квадратного поперечного сечения со стороной 1 см на 0,1% его длины:

F = YґAґDL/L = 200 000 МПа ґ 1 см2ґ0,001 = 20 000 Н (= 20 кН)

Когда к металлическому образцу прикладываются напряжения, превышающие его предел упругости, они вызывают пластическую (необратимую) деформацию, приводящую к необратимому изменению его формы. Более высокие напряжения могут вызвать разрушение материала.

Важнейшим критерием при выборе металлического материала, от которого требуется высокая упругость, является предел текучести. У самых лучших пружинных сталей практически такой же модуль упругости, как и у самых дешевых строительных, но пружинные стали способны выдерживать гораздо большие напряжения, а следовательно, и гораздо большие упругие деформации без пластической деформации, поскольку у них выше предел текучести.

Пластические свойства металлического материала (в отличие от упругих) можно изменять путем сплавления и термообработки. Так, предел текучести железа подобными методами можно повысить в 50 раз. Чистое железо переходит в состояние текучести уже при напряжениях порядка 40 МПа, тогда как предел текучести сталей, содержащих 0,5% углерода и несколько процентов хрома и никеля, после нагревания до 950° С и закалки может достигать 2000 МПа.

Когда металлический материал нагружен с превышением предела текучести, он продолжает деформироваться пластически, но в процессе деформирования становится более твердым, так что для дальнейшего увеличения деформации требуется все больше повышать напряжение. Такое явление называется деформационным или механическим упрочнением (а также наклепом). Его можно продемонстрировать, скручивая или многократно перегибая металлическую проволоку. Деформационное упрочнение металлических изделий часто осуществляется на заводах. Листовую латунь, медную проволоку, алюминиевые стержни можно холодной прокаткой или холодным волочением довести до уровня твердости, который требуется от окончательной продукции.

Растяжение.

Соотношение между напряжением и деформацией для материалов часто исследуют, проводя испытания на растяжение, и при этом получают диаграмму растяжения – график, по горизонтальной оси которого откладывается деформация, а по вертикальной – напряжение (рис. 1). Хотя при растяжении поперечное сечение образца уменьшается (а длина увеличивается), напряжение обычно вычисляют, относя силу к исходной площади поперечного сечения, а не к уменьшенной, которая давала бы истинное напряжение. При малых деформациях это не имеет особого значения, но при больших может приводить к заметной разнице. На рис. 1 представлены кривые деформация – напряжение для двух материалов с неодинаковой пластичностью. (Пластичность – это способность материала удлиняться без разрушения, но и без возврата к первоначальной форме после снятия нагрузки.) Начальный линейный участок как той, так и другой кривой заканчивается в точке предела текучести, где начинается пластическое течение. Для менее пластичного материала высшая точка диаграммы, его предел прочности на растяжение, соответствует разрушению. Для более пластичного материала предел прочности на растяжение достигается тогда, когда скорость уменьшения поперечного сечения при деформировании становится больше скорости деформационного упрочнения. На этой стадии в ходе испытания начинается образование «шейки» (локальное ускоренное уменьшение поперечного сечения). Хотя способность образца выдерживать нагрузку уменьшается, материал в шейке продолжает упрочняться. Испытание заканчивается разрывом шейки.

Типичные значения величин, характеризующих прочность на растяжение ряда металлов и сплавов, представлены в табл. 2. Нетрудно видеть, что эти значения для одного и того же материала могут сильно различаться в зависимости от обработки.

Таблица 2
Таблица 2
Металлы и сплавы Состояние Предел текучести, МПа Предел прочности на растяжение, МПа Удлинение, %
Малоуглеродистая сталь (0,2% С) Горячекатанная 300 450 35
Среднеуглеродистая сталь (0,4% С,
0,5% Mn)
Упрочненная и отпущенная 450 700 21
Высокопрочная сталь (0,4% С, 1,0% Mn,
1,5% Si, 2,0% Cr,
0,5% Мo)
Упрочненная и отпущенная 1750 2300 11
Серый чугун После литья 175–300 0,4
Алюминий технически чистый Отожженный 35 90 45
Алюминий технически чистый Деформационно-упрочненный 150 170 15
Алюминиевый сплав (4,5% Cu, 1,5% Mg,
0,6% Mn)
Упрочненный старением 360 500 13
Латунь листовая (70% Cu, 30% Zn) Полностью отожженная 80 300 66
Латунь листовая (70% Cu, 30% Zn) Деформационно-упрочненная 500 530 8
Вольфрам, проволока Тянутая до диаметра 0,63 мм 2200 2300 2,5
Свинец После литья 0,006 12 30

Сжатие.

Упругие и пластические свойства при сжатии обычно весьма сходны с тем, что наблюдается при растяжении (рис. 2). Кривая соотношения между условным напряжением и условной деформацией при сжатии проходит выше соответствующей кривой для растяжения только потому, что при сжатии поперечное сечение образца не уменьшается, а увеличивается. Если же по осям графика откладывать истинное напряжение и истинную деформацию, то кривые практически совпадают, хотя при растяжении разрушение происходит раньше.

Твердость.

Твердость материала – это его способность сопротивляться пластической деформации. Поскольку испытания на растяжение требуют дорогостоящего оборудования и больших затрат времени, часто прибегают к более простым испытаниям на твердость. При испытаниях по методам Бринелля и Роквелла в поверхность металла при заданных нагрузке и скорости нагружения вдавливают «индентор» (наконечник, имеющий форму шара или пирамиды). Затем измеряют (часто это делается автоматически) размер отпечатка, и по нему определяют показатель (число) твердости. Чем меньше отпечаток, тем больше твердость. Твердость и предел текучести – это в какой-то мере сравнимые характеристики: обычно при увеличении одной из них увеличивается и другая.

Может сложиться впечатление, что в металлических материалах всегда желательны максимальные предел текучести и твердость. На самом деле это не так, и не только по экономическим соображениям (процессы упрочнения требуют дополнительных затрат).

Во-первых, материалам необходимо придавать форму различных изделий, а это обычно осуществляется с применением процессов (прокатки, штамповки, прессования), в которых важную роль играет пластическая деформация. Даже при обработке на металлорежущем станке очень существенна пластическая деформация. Если твердость материала слишком велика, то для придания ему нужной формы требуются слишком большие силы, вследствие чего режущие инструменты быстро изнашиваются. Такого рода трудности можно уменьшить, обрабатывая металлы при повышенной температуре, когда они становятся мягче. Если же горячая обработка невозможна, то используется отжиг металла (медленные нагрев и охлаждение).

Во-вторых, по мере того как металлический материал становится тверже, он обычно теряет пластичность. Иначе говоря, материал становится хрупким, если его предел текучести столь велик, что пластическая деформация не происходит вплоть до тех напряжений, которые сразу же вызывают разрушение. Конструктору обычно приходится выбирать какие-то промежуточные уровни твердости и пластичности.

Ударная вязкость и хрупкость.

Вязкость противоположна хрупкости. Это способность материала сопротивляться разрушению, поглощая энергию удара. Например, стекло хрупкое, потому что оно не способно поглощать энергию за счет пластической деформации. При столь же резком ударе по листу мягкого алюминия не возникают большие напряжения, так как алюминий способен к пластической деформации, поглощающей энергию удара.

Существует много разных методов испытания металлов на ударную вязкость. При использовании метода Шарпи призматический образец металла с надрезом подставляют под удар отведенного маятника. Работу, затраченную на разрушение образца, определяют по расстоянию, на которое маятник отклоняется после удара. Такие испытания показывают, что стали и многие металлы ведут себя как хрупкие при пониженных температурах, но как вязкие – при повышенных. Переход от хрупкого поведения к вязкому часто происходит в довольно узком температурном диапазоне, среднюю точку которого называют температурой хрупко-вязкого перехода. Другие испытания на ударную вязкость тоже указывают на наличие такого перехода, но измеренная температура перехода изменяется от испытания к испытанию в зависимости от глубины надреза, размеров и формы образца, а также от метода и скорости ударного нагружения. Поскольку ни в одном из видов испытаний не воспроизводится весь диапазон рабочих условий, испытания на ударную вязкость ценны лишь тем, что позволяют сравнивать разные материалы. Тем не менее они дали много важной информации о влиянии сплавления, технологии изготовления и термообработки на склонность к хрупкому разрушению. Температура перехода для сталей, измеренная по методу Шарпи с V-образным надрезом, может достигать +90° С, но соответствующими легирующими присадками и термообработкой ее можно понизить до -130° С.

Хрупкое разрушение стали было причиной многочисленных аварий, таких, как неожиданные прорывы трубопроводов, взрывы сосудов давления и складских резервуаров, обвалы мостов. Среди самых известных примеров – большое количество морских судов типа «Либерти», обшивка которых неожиданно расходилась во время плавания. Как показало расследование, выход из строя судов «Либерти» был обусловлен, в частности, неправильной технологией сварки, оставлявшей внутренние напряжения, плохим контролем за составом сварного шва и дефектами конструкции. Сведения, полученные в результате лабораторных испытаний, позволили существенно уменьшить вероятность таких аварий. Температура хрупко-вязкого перехода некоторых материалов, например вольфрама, кремния и хрома, в обычных условиях значительно выше комнатной. Такие материалы обычно считаются хрупкими, и придавать им нужную форму за счет пластической деформации можно только при нагреве. В то же время медь, алюминий, свинец, никель, некоторые марки нержавеющих сталей и другие металлы и сплавы вообще не становятся хрупкими при понижении температуры. Хотя многое уже известно о хрупком разрушении, это явление нельзя еще считать полностью изученным.

Усталость.

Усталостью называется разрушение конструкции под действием циклических нагрузок. Когда деталь изгибается то в одну, то в другую сторону, ее поверхности поочередно подвергаются то сжатию, то растяжению. При достаточно большом числе циклов нагружения разрушение могут вызывать напряжения, значительно более низкие, чем те, при которых происходит разрушение в случае однократного нагружения. Знакопеременные напряжения вызывают локализованные пластическую деформацию и деформационное упрочнение материала, в результате чего с течением времени возникают малые трещины. Концентрация напряжений вблизи концов таких трещин заставляет их расти. Сначала трещины растут медленно, но по мере уменьшения поперечного сечения, на которое приходится нагрузка, напряжения у концов трещин увеличиваются. При этом трещины растут все быстрее и, наконец, мгновенно распространяются на все сечение детали. См. также РАЗРУШЕНИЯ МЕХАНИЗМЫ.

Усталость, несомненно, является самой распространенной причиной выхода конструкций из строя в условиях эксплуатации. Особенно подвержены этому детали машин, работающие в условиях циклического нагружения. В авиастроении усталость оказывается очень важной проблемой из-за вибрации. Во избежание усталостного разрушения приходится часто проверять и заменять детали самолетов и вертолетов.

Ползучесть.

Ползучестью (или крипом) называется медленное нарастание пластической деформации металла под действием постоянной нагрузки. С появлением воздушно-реактивных двигателей, газовых турбин и ракет стали приобретать все более важное значение свойства материалов при повышенных температурах. Во многих областях техники дальнейшее развитие сдерживается ограничениями, связанными с высокотемпературными механическими свойствами материалов.

При нормальных температурах пластическая деформация устанавливается почти мгновенно, как только прикладывается соответствующее напряжение, и в дальнейшем мало увеличивается. При повышенных же температурах металлы не только становятся мягче, но и деформируются так, что деформация продолжает нарастать со временем. Такая зависящая от времени деформация, или ползучесть, может ограничивать срок службы конструкций, которые должны длительное время работать при повышенных температурах.

Чем больше напряжения и чем выше температура, тем больше скорость ползучести. Типичные кривые ползучести представлены на рис. 3. После начальной стадии быстрой (неустановившейся) ползучести эта скорость уменьшается и становится почти постоянной. Перед разрушением скорость ползучести вновь увеличивается. Температура, при которой ползучесть становится критической, неодинакова для разных металлов. Предметом забот телефонных компаний является ползучесть подвесных кабелей в свинцовой оболочке, работающих при обычных температурах окружающей среды; в то же время некоторые специальные сплавы могут работать при 800° С, не обнаруживая чрезмерной ползучести.

Срок службы деталей в условиях ползучести может определяться либо предельно допустимой деформацией, либо разрушением, и конструктор должен всегда иметь в виду эти два возможных варианта. Пригодность материалов для изготовления изделий, рассчитанных на длительную работу при повышенных температурах, например лопаток турбин, трудно оценить заранее. Испытания за время, равное предполагаемому сроку службы, зачастую практически невозможны, а результаты кратковременных (ускоренных) испытаний не так просто экстраполировать на более длительные сроки, поскольку может измениться характер разрушения. Хотя механические свойства жаропрочных сплавов постоянно улучшаются, перед металлофизиками и материаловедами всегда будет стоять задача создания материалов, способных выдерживать еще более высокие температуры. См. также МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ.

КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА

Выше речь шла об общих закономерностях поведения металлов под действием механических нагрузок. Чтобы лучше понять соответствующие явления, нужно рассмотреть атомное строение металлов. Все твердые металлы – кристаллические вещества. Они состоят из кристаллов, или зерен, расположение атомов в которых соответствует правильной трехмерной решетке. Кристаллическую структуру металла можно представить как состоящую из атомных плоскостей, или слоев. Когда прикладывается напряжение сдвига (сила, заставляющая две соседние плоскости металлического образца скользить друг по другу в противоположных направлениях), один слой атомов может сдвинуться на целое межатомное расстояние. Такой сдвиг скажется на форме поверхности, но не на кристаллической структуре. Если один слой сдвинется на много межатомных расстояний, то на поверхности образуется «ступенька». Хотя отдельные атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть под микроскопом, ступеньки, образовавшиеся за счет скольжения, хорошо видны под микроскопом и названы линиями скольжения.

Обычные металлические предметы, встречающиеся нам ежедневно, являются поликристаллическими, т.е. состоят из большого числа кристаллов, в каждом из которых своя ориентация атомных плоскостей. Деформация обычного поликристаллического металла имеет с деформацией монокристалла то общее, что она происходит за счет скольжения по атомным плоскостям в каждом кристалле. Заметное же скольжение целых кристаллов по их границам наблюдается только в условиях ползучести при повышенных температурах. Средний размер одного кристалла, или зерна, может составлять от нескольких тысячных до нескольких десятых долей сантиметра. Желательна более мелкая зернистость, так как механические характеристики мелкозернистого металла лучше, чем у крупнозернистого. Кроме того, мелкозернистые металлы менее хрупки.

Скольжение и дислокации.

Процессы скольжения удалось подробнее исследовать на монокристаллах металлов, выращенных в лаборатории. При этом выяснилось не только то, что скольжение происходит в некоторых определенных направлениях и обычно по вполне определенным плоскостям, но и то, что монокристаллы деформируются при очень малых напряжениях. Переход монокристаллов в состояние текучести начинается для алюминия при 1, а для железа – при 15–25 МПа. Теоретически же этот переход в обоих случаях должен происходить при напряжениях ок. 10 000 МПа. Такое расхождение между экспериментальными данными и теоретическими расчетами на протяжении многих лет оставалось важной проблемой. В 1934 Тейлор, Полани и Орован предложили объяснение, основанное на представлении о дефектах кристаллической структуры. Они высказали предположение, что при скольжении сначала происходит смещение в какой-то точке атомной плоскости, которое затем распространяется по кристаллу. Граница между сдвинувшейся и несдвинувшейся областями (рис. 4) представляет собой линейный дефект кристаллической структуры, названный дислокацией (на рисунке эта линия уходит в кристалл перпендикулярно плоскости рисунка). Когда к кристаллу прикладывается напряжение сдвига, дислокация движется, вызывая скольжение по плоскости, в которой она находится. После того как дислокации образовались, они очень легко движутся по кристаллу, чем и объясняется «мягкость» монокристаллов.

В кристаллах металлов обычно имеется множество дислокаций (общая длина дислокаций в одном кубическом сантиметре отожженного металлического кристалла может составлять более 10 км). Но в 1952 научные сотрудники лабораторий корпорации «Белл телефон», испытывая на изгиб очень тонкие нитевидные кристаллы («усы») олова, обнаружили, к своему удивлению, что изгибная прочность таких кристаллов близка к теоретическому значению для совершенных кристаллов. Позднее были обнаружены чрезвычайно прочные нитевидные кристаллы и многих других металлов. Как предполагают, столь высокая прочность обусловлена тем, что в таких кристаллах либо вообще нет дислокаций, либо имеется одна, идущая по всей длине кристалла.

Температурные эффекты.

Влияние повышенных температур можно объяснить, исходя из представлений о дислокациях и зеренной структуре. Многочисленные дислокации в кристаллах деформационно-упрочненного металла искажают кристаллическую решетку и увеличивают энергию кристалла. Когда же металл нагревается, атомы становятся подвижными и перестраиваются в новые, более совершенные кристаллы, содержащие меньше дислокаций. С такой рекристаллизацией и связано разупрочнение, которое наблюдается при отжиге металлов.

Модуль Юнга - предел прочности и предел текучести для обычных материалов

Модуль упругости - или модуль Юнга alt. Модуль упругости - это показатель жесткости эластичного материала. Он используется для описания упругих свойств таких объектов, как проволока, стержни или колонны, когда они растягиваются или сжимаются.

Модуль упругости при растяжении определяется как

"отношение напряжения (силы на единицу площади) вдоль оси к деформации (отношение деформации к начальной длине) вдоль этой оси"

Его можно использовать для прогнозирования удлинения или сжатие объекта до тех пор, пока напряжение меньше, чем предел текучести материала.Подробнее об определениях под таблицей.

9002 4 170 9 0018 502
АБС-пластик 1,4 - 3,1 40
A53 Стандартная бесшовная и сварная стальная труба - марка A 331 207
A53 Бесшовная и сварная стандартная сталь Труба - класс B 414 241
A106 Бесшовная труба из углеродистой стали - марка A 400 248
A106 Бесшовная труба из углеродистой стали - марка B 483 345
A106 Бесшовная труба из углеродистой стали - класс C 483 276
Стальная труба A252 сваи - сорт 1 345 207
Стальная труба A252 - свая - сорт 2 414 241
Стальная труба A252 для укладки свай - класс 3 455 310
A501 Конструкционные трубы из горячеформованной углеродистой стали - класс A 400 248
A501 Конструкционные трубы из горячеформованной углеродистой стали - класс B 483 345
A523 Стальные трубопроводы для кабельных цепей - класс A 331 207
A523 Стальные трубопроводы для кабельных цепей - класс B 414 241
A618 Горячеформованные высокопрочные низколегированные конструкции НКТ - класс Ia и Ib 483 345
Горячеформованные высокопрочные низколегированные конструкционные трубы A618 - класс II 414 345
A618 Горячие формованные высокопрочные Конструкционные трубы из низколегированных материалов - класс III 448 345
Линейная труба API 5L 310 - 1145 175 - 1048
Ацетали 2.8 65
Акрил 3,2 70
Алюминий бронза 120
Алюминий 69 110 95
Алюминиевые сплавы 70
Сурьма 78
Арамид 70-112
Бериллий (Be) 287
Бериллий Медь 124
Висмут 32
Кость компактная 18 170
(компрессионная)
Кость губчатая 76
Бор 9002 4 3100
Латунь 102-125 250
Латунь, военно-морской флот 100
Бронза 96-120
CAB 0.8
Кадмий 32
Пластик, армированный углеродным волокном 150
Углеродная нанотрубка, одностенная 1000
Чугун 4.5 % C, ASTM A-48 170
Целлюлоза, хлопок, древесная масса и регенерированная 80-240
Ацетат целлюлозы, формованный 12-58
Ацетат целлюлозы, лист 30-52
Нитрат целлюлозы, целлулоид 50
Хлорированный полиэфир 1.1 39
Хлорированный ПВХ (ХПВХ) 2,9
Хром 248
Кобальт 207
Бетон 17
Бетон, высокая прочность (сжатие) 30 40
(сжатие)
Медь 117 220 70
Алмаз (C) 1220
Древесина пихты Дугласа 13 50
(сжатие)
Эпоксидные смолы 3-2 26-85
Древесноволокнистая плита средней плотности 4
Льноволокно 58
Стекло 50-90 50
(сжатие)
Матрица из армированного стекловолокном полиэстера 17
Золото 74
Гранит 52
Графен 1000
Серый чугун 130
Конопляное волокно 35
Инконель 214
Иридий 517
Железо 210
Свинец 13.8
Магний металлический (Mg) 45
Марганец 159
Мрамор 15
МДФ - средней плотности ДВП 4
Ртуть
Молибден (Mo) 329
Монель Металл 179
Никель
Никель-серебро 128
Никелевая сталь 200
Ниобий (колумбий) 103
Нейлон-6 2-4 45-90 45
Нейлон-66 60-80
Дуб (вдоль волокон) 11
Осмий (Os) 550
Фенольные литые смолы 33-59
Формовочные смеси фенолформальдегидные 45-52
Фосфорная бронза 116
Сосновая древесина (вдоль волокон) 9 40
Платина 147
Плутоний 97
Полиакрилонитрил, волокна 200
Полибензоксазол 3.5
Поликарбонаты 2,6 52-62
Полиэтилен HDPE (высокая плотность) 0,8 15
Полиэтилентерефталат, ПЭТ 2 - 2,7 55
Полиамид 2,5 85
Полиизопрен, твердая резина 39
Полиметилметакрилат (ПММА) 2.4 - 3,4
Полиимидные ароматические углеводороды 3,1 68
Полипропилен, PP 1,5 - 2 28-36
Полистирол, PS 3 - 3,5 30-100
Полиэтилен, LDPE (низкая плотность) 0,11 - 0,45
Политетрафторэтилен (PTFE) 0,4
Жидкий полиуретановый литой 10-20
Полиуретановый эластомер 29-55
Поливинилхлорид (ПВХ) 2.4 - 4,1
Калий
Родий 290
Резина с малой деформацией 0,01 - 0,1
Сапфир 435
Селен 58
Кремний 130-185
Карбид кремния 450 3440
Серебро 72
Натрий
Сталь, высокопрочный сплав ASTM A-514 760 690
Сталь нержавеющая AISI 302 180 860
Сталь, конструкционная ASTM-A36 200 400 250
Тантал 186
Торий 59
Олово 47
Титан
Титановый сплав 105 - 120 900 730
Зубная эмаль 83
Вольфрам ( Вт) 400 - 410
Карбид вольфрама (WC) 450 - 650
Уран 170
Ванадий 131
Кованый Иро n 190-210
Дерево
Цинк 83
  • 1 Па (Н / м 2 ) = 1x10 -6 Н / мм 2 = 1.4504x10 -4 psi
  • 1 МПа = 10 6 Па (Н / м 2 ) = 0,145x10 3 psi (фунт f / дюйм 2 ) = 0,145 тыс. фунтов на квадратный дюйм
  • 1 ГПа = 10 9 Н / м 2 = 10 6 Н / см 2 = 10 3 2 Н / мм 0,145x10 6 фунтов на кв. Дюйм (фунт на / дюйм 2 )
  • 1 МПа = 10 6 фунтов на квадратный дюйм = 10 3 тысяч фунтов на квадратный дюйм
  • 47 фунтов на квадратный дюйм 1 2 ) = 0.001 тыс. Фунтов / кв. Дюйм = 144 фунта на кв. Дюйм (фунт на / фут 2 ) = 6 894,8 Па (Н / м 2 ) = 6,895x10 -3 Н / мм 2

Примечание! - этот онлайн-преобразователь давления может использоваться для преобразования единиц модуля упругости при растяжении.

Деформация - ε

Деформация - это «деформация твердого тела под действием напряжения» - изменение размера, деленное на исходное значение размера - и может быть выражено как

ε = dL / L (1)

где

ε = деформация (м / м, дюйм / дюйм)

дл = удлинение или сжатие (смещение) объекта (м , дюйм)

L = длина объекта (м, дюйм)

Напряжение - σ

Напряжение - это сила на единицу площади и может быть выражена как

σ = F / A (2)

где

σ = напряжение (Н / м 2 , фунт / дюйм 2 , psi)

F = приложенная сила (Н, фунт)

A = площадь напряжения объекта (м 2 , в 2 )

  • растягивающее напряжение - напряжение, стремящееся к растяжение или удлинение материала - действует нормально по отношению к напряженной области
  • сжимаемое напряжение - напряжение, которое имеет тенденцию сжимать или укорачивать материал - действует нормально по отношению к напряженной области
  • напряжение сдвига - напряжение, которое имеет тенденцию к сдвигу материала - действует в плоскости напряженной области под прямым углом к ​​сжимаемому или растягивающему напряжению

Модуль Юнга - Модуль упругости при растяжении, Модуль упругости - E

Модуль Юнга может быть выражен как

E = напряжение / деформация

= σ / ε

= (F / A) / (dL / L) (3)

где

E = Модуль упругости Юнга (Па, Н / м 2 , фунт / дюйм 2 , фунт / кв. Дюйм)

  • , названный в честь XVIII века Английский врач и физик Томас Янг

Эластичность

Эластичность - это свойство объекта или материала, указывающее, как он восстановит его первоначальную форму после искажения.

Пружина - это пример упругого объекта - при растяжении она оказывает восстанавливающую силу, которая стремится вернуть его к исходной длине. Эта восстанавливающая сила в целом пропорциональна растяжению, описанному законом Гука.

Закон Гука

Чтобы растянуть пружину вдвое дальше, требуется примерно вдвое больше силы. Эта линейная зависимость смещения от силы растяжения называется законом Гука и может быть выражена как

F s = -k dL (4)

, где

F s = усилие в пружине (Н)

k = жесткость пружины (Н / м)

dL = удлинение пружины (м)

Обратите внимание, что можно также применить закон Гука к материалам, испытывающим трехмерное напряжение (трехосное нагружение).

Предел текучести - σ y

Предел текучести определяется в инженерии как величина напряжения (предел текучести), которому может подвергаться материал перед переходом от упругой деформации к пластической деформации.

  • Предел текучести - материал постоянно деформируется

Предел текучести для низко- или среднеуглеродистой стали представляет собой напряжение, при котором происходит заметное увеличение деформации без увеличения нагрузки. В других сталях и цветных металлах этого явления не наблюдается.

Предел прочности на разрыв - σ u

Предел прочности на разрыв - UTS - материала - это предельное напряжение, при котором материал фактически разрывается с внезапным высвобождением накопленной упругой энергии.

.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Механические свойства имеют первостепенное значение в более крупных промышленных применениях металлов, поэтому они требуют большого внимания при их изучении.

Прочность. - Прочность материала - это свойство сопротивления внешним нагрузкам или напряжениям без повреждения конструкции. Термин «предел прочности » относится к удельному напряжению (фунты на квадратный дюйм), развиваемому в материале в результате максимальной медленно прикладываемой нагрузки, которой материал может выдержать без разрушения при испытании на растяжение.Испытание на растяжение наиболее часто применяется к металлам, потому что оно говорит об их свойствах гораздо больше, чем любое другое отдельное испытание. В металлургии о разрушении часто говорят как об отказе, разрыве или разрушении; перелом металла - это название поверхности, на которой произошел разрыв.

Прочность металлов и сплавов зависит от двух факторов, а именно, прочности кристаллов, из которых они состоят, и прочности сцепления между этими кристаллами.Самое сильное известное вещество - это вольфрамовая проволока электрических ламп накаливания. Чистое железо непрочно, но когда сталь легирована углеродом для получения стали, она может быть прочнее любого из чистых металлов, кроме вольфрама.

Напряжение и деформация. - Напряжение - это сила внутри тела, которая сопротивляется деформации из-за приложенной извне нагрузки. Если эта нагрузка действует на поверхность единичной площади, это называется единичной силой, а сопротивление ей - единиц. Таким образом, количественно напряжение - это сила на единицу площади; на европейском континенте он выражается в килограммах на квадратный миллиметр, в Соединенных Штатах - фунтах на квадратный дюйм, а в Англии обычно используются длинные тонны на квадратный дюйм.

Когда внешняя сила действует на эластичный материал, материал деформируется, и деформация пропорциональна нагрузке. Это искажение или деформация составляет деформаций, единиц деформации, измеряемой в США и Англии в дюймах на дюйм, а в Европе - в сантиметрах на сантиметр. Единичная деформация - это отношение расстояний или длин.

Эластичность. - Любой материал, подверженный внешней нагрузке, деформирован или деформирован.Упруго напряженные материалы возвращаются к своим первоначальным размерам при снятии нагрузки, если она не слишком велика. Такое искажение или деформация пропорциональна величине нагрузки до определенной точки, но когда нагрузка слишком велика, материал постоянно деформируется, а при дальнейшем увеличении нагрузки до определенной точки материал разрушается. Свойство восстановления исходных размеров после снятия внешней нагрузки известно как эластичность .

Модуль упругости. - В пределах эластичности отношение напряжения к деформации известно как модуль упругости (т.е. мера упругости).

Модуль упругости выражает жесткость материала. Для стали и большинства металлов это постоянное свойство, на которое мало влияет термическая обработка, горячая или холодная обработка или фактический предел прочности металла. Их модули упругости показывают, что когда стержни из стали и алюминия одинакового размера подвергаются одинаковой нагрузке, возникающая в результате упругая деформация в алюминии будет почти в три раза больше, чем в стальном стержне.



Пропорциональный предел упругости. - Металлы обычно не эластичны во всем диапазоне нагрузок. Предел пропорциональности напряжения к деформации известен как предел пропорциональности . Предел упругости - это максимальное удельное напряжение, которое испытываемый образец будет выдерживать и все еще возвращаться к своим исходным размерам после снятия нагрузки. Предел пропорциональности и предел упругости в металлах очень близки друг к другу, настолько, что их часто путают, и теперь принято объединять их в один термин «Предел пропорциональной упругости». Это важное свойство, напряжение, которое нельзя превышать при проектировании.

Природа эластичности. - Эластичность металлического вещества является функцией сопротивления его атомов разделению, сжатию или вращению друг относительно друга и, таким образом, является фундаментальным свойством материала. Итак, эластичность демонстрируется как функция атомных сил. Это объясняет, почему модуль упругости прочной и хрупкой термообработанной легированной стали точно такой же, как у сравнительно слабой и вязкой отожженной стали.

Предел текучести. - Это точка на кривой "напряжение-деформация", в которой напряжение выравнивается или фактически уменьшается при продолжении деформации. Этот термин строго применим только к малоуглеродистым сталям, поскольку определяющая его характеристика не встречается в других металлах, легированных сталях или даже холоднодеформированных или нормализованных низкоуглеродистых сталях.

Максимальная сила. - Наибольшая нагрузка, которую выдерживает образец, деленная на первоначальную площадь поперечного сечения, называется пределом прочности на разрыв или пределом прочности детали.

Пластичность. - Пластичность - это способность металла постоянно деформироваться при растяжении без разрушения. В частности, этот термин обозначает емкость, которую нужно тянуть от проволоки большего диаметра к меньшему. Такая операция, очевидно, включает в себя как удлинение, так и уменьшение площади, и значения этих двух характеристик металла, определенные при испытании на растяжение, обычно принимаются в качестве меры пластичности металла.

Прочность. - Вязкость определяется как свойство поглощения значительной энергии до разрушения. Это мера общей способности материала поглощать энергию, включая энергию как упругой, так и пластической деформации при постепенно прикладываемой нагрузке. Одним из наиболее распространенных тестов на ударную вязкость является «испытание на удар», в котором измеряется энергия, поглощенная при разрушении образца при внезапном ударе.

Природа прочности. - Прочность металла определяется степенью скольжения, которая может происходить внутри кристаллов, не приводя к разрушению металла.Возможно, это результат попеременного проскальзывания и расклинивания каждой клиновидной кристаллографической плоскости, удерживаемой до приложения большего напряжения. Хрупкий металл или сплав либо не перестанет скользить после достижения упругой деформации, либо остановится только на короткое время перед разрушением. Очевидно, что последовательная остановка и проскальзывание вызовут деформацию; поэтому вязкие металлы и сплавы часто являются наиболее пластичными и пластичными.

Иногда кристаллы металла могут быть прочными, но границы кристаллов могут содержать примеси, так что наименьшая деформация кристаллической массы может вызвать растрескивание через хрупкий материал границ зерен.Это верно для стали, содержащей значительное количество фосфора, и для меди, содержащей висмут.

Ковкость. - Ковкость - это свойство металла, которое допускает остаточную деформацию при сжатии без разрушения. В частности, это означает способность раскатывать или забивать тонкие листы. Свойство пластичности похоже, но не то же самое, что и пластичность, и разные металлы не обладают этими двумя свойствами в одинаковой степени: хотя свинец и олово относительно высоки в порядке пластичности, им не хватает необходимой прочности на разрыв. быть втянутым в тонкую проволоку.Большинство металлов обладают повышенной ковкостью и пластичностью при более высоких температурах. Например, железо и никель очень пластичны при ярко-красном огне (1000 ° C).

Хрупкость. - Хрупкость подразумевает внезапный отказ. Это свойство ломаться без предупреждения, то есть без видимой остаточной деформации. Это противоположность ударной вязкости в том смысле, что хрупкое тело имеет небольшое сопротивление разрыву после достижения предела упругости. Хрупкость противоположна пластичности в том смысле, что она предполагает разрыв без значительной деформации.Часто твердые металлы являются хрупкими, но эти термины не следует путать или использовать как синонимы.

Усталостный отказ. - Если металл подвергается частым повторяющимся нагрузкам, он в конечном итоге разорвется и выйдет из строя.

Чередование стресса приведет к неудаче быстрее, чем повторение стресса. Под «чередованием напряжений» подразумевается попеременное растяжение и сжатие в любом волокне. Разрушение металлов и сплавов под действием повторяющихся или переменных напряжений, слишком малых, чтобы вызвать даже остаточную деформацию при статическом применении, называется усталостным разрушением .

Коррозионная усталость. - Если элемент подвергается также воздействию коррозионных агентов, таких как влажная атмосфера или масло, не очищенное от кислоты, нагрузка, необходимая для выхода из строя, намного ниже. Самые прочные стали не выдерживают усталости и коррозии при удельном напряжении волокна не более 24000 фунтов на квадратный дюйм, даже если их предел прочности может указывать на то, что они могут выдерживать гораздо более высокое напряжение. Интересно отметить, что удельное напряжение чрезвычайно прочной термически обработанной легированной стали, подверженной коррозионной усталости, будет не больше, чем у относительно слабой конструкционной стали.Очевидна важность защиты поверхностей усталостных элементов от коррозии с помощью цинкования, гальванизации и т. Д., Если и когда это возможно.

Твердость. - Качество твердости является сложным, и подробное исследование показало, что оно представляет собой комбинацию ряда физических и механических свойств. Его чаще определяют в терминах метода, используемого для его измерения, и обычно означает сопротивление вещества вдавливанию. Твердость также может быть определена с точки зрения устойчивости к царапинам и, таким образом, связана с износостойкостью.Термин твердость иногда используется для обозначения жесткости или состояния деформируемых изделий, поскольку твердость металла при вдавливании тесно связана с его пределом прочности при растяжении.

В инженерной практике сопротивление металла проникновению твердым инструментом для вдавливания обычно считается определяющим свойством твердости. Был разработан ряд стандартизированных испытательных машин и пенетраторов, наиболее распространенными из которых являются машины Бринелля, Роквелла и Виккерса.

При испытании Бринелля шарик из закаленной стали диаметром 10 мм вдавливается в поверхность испытуемого материала под нагрузкой 500 или 3000 кг и измеряется площадь вдавливания.Затем твердость по Бринеллю выражается как отношение приложенной нагрузки к площади слепка.

В тестах Rockwell используется ряд различных масштабов тестирования с использованием различных пенетраторов и нагрузок. Чаще всего используются шкалы «C», в которых используется алмазный конусный пенетратор при основной нагрузке 150 кг, и шкала «B», в которой используется закаленный стальной шар диаметром 1/16 дюйма при основной нагрузке 100 кг. кг. В этом испытании разница глубины проникновения между глубиной проникновения небольшой нагрузки в 10 кг и приложенной основной нагрузкой принимается в качестве меры твердости.

В испытании Виккерса используется квадратный индентор в форме ромбовидной пирамиды, который может быть нагружен от 1 до 120 кг. Как и в тесте Бринелля, твердость выражается через приложенную нагрузку, деленную на площадь поверхности пирамидального отпечатка.

Тест Бринелля обычно используется только для довольно толстых срезов, таких как прутки и поковки, в то время как тест Роквелла обычно используется как для толстых, так и для тонких срезов, таких как полосы и трубки. Поверхностный Роквелл можно использовать для деталей толщиной до 0.010 дюймов. Тестер Виккерса чаще всего используется как лабораторный прибор для очень точных измерений твердости, а не как инструмент производственного контроля.

Склероскоп Шора измеряет упругость, а не твердость, хотя они взаимосвязаны. Склероскоп измеряет отскок падающего молотка от испытательной поверхности, и число твердости выражается как высота отскока в терминах максимального отскока от полностью закаленной высокоуглеродистой стали.

Природа твердости и мягкости. - Сопротивление металла проникновению другим телом, очевидно, частично зависит от силы сопротивления его межатомных связей. На это указывает почти точная параллель порядка твердости металлов и их модулей упругости. Единственное известное исключение - это соотношение магния и алюминия. Магний поцарапает алюминий, хотя его модуль упругости и средняя прочность межатомных связей меньше.


Дата: 24.12.2015; просмотр: 1248


.

Свойства при растяжении

Свойства растяжения показывают, как материал будет реагировать на силы, прилагаемые при растяжении. Испытание на растяжение - это фундаментальное механическое испытание, при котором тщательно подготовленный образец нагружается очень контролируемым образом, при этом измеряется приложенная нагрузка и удлинение образца на некотором расстоянии. Испытания на растяжение используются для определения модуля упругости, предела упругости, удлинения, предела пропорциональности, уменьшения площади, прочности на разрыв, предела текучести, предела текучести и других свойств при растяжении.

Основным результатом испытания на растяжение является кривая зависимости нагрузки от удлинения, которая затем преобразуется в кривую зависимости напряжения от деформации. Поскольку как инженерное напряжение, так и инженерная деформация получаются путем деления нагрузки и удлинения на постоянные значения (информация о геометрии образца), кривая нагрузки-удлинения будет иметь ту же форму, что и инженерная кривая напряжения-деформации. Кривая "напряжение-деформация" связывает приложенное напряжение с результирующей деформацией, и каждый материал имеет свою собственную уникальную кривую "напряжение-деформация".Типичная инженерная кривая напряжения-деформации показана ниже. Если использовать истинное напряжение, основанное на фактической площади поперечного сечения образца, обнаруживается, что кривая напряжения-деформации непрерывно увеличивается до разрушения.

Линейно-упругая область и упругие постоянные
Как видно на рисунке, напряжение и деформация первоначально увеличиваются с линейной зависимостью. Это линейно-упругий участок кривой, указывающий на отсутствие пластической деформации.В этой области кривой, когда напряжение уменьшается, материал возвращается к своей исходной форме. В этой линейной области линия подчиняется соотношению, определенному как Закон Гука , где отношение напряжения к деформации является постоянным.

Наклон линии в этой области, где напряжение пропорционально деформации, называется модулем упругости или модулем Юнга . Модуль упругости (E) определяет свойства материала, когда он подвергается напряжению, деформируется, а затем возвращается к своей исходной форме после снятия напряжения.Это мера жесткости данного материала. Чтобы вычислить модуль упругости, просто разделите напряжение на деформацию материала. Поскольку деформация является безразмерной, модуль будет иметь те же единицы измерения, что и напряжение, например kpi или МПа. Модуль упругости применяется конкретно к ситуации, когда компонент растягивается с силой растяжения. Этот модуль представляет интерес, когда необходимо вычислить, насколько стержень или проволока растягиваются под действием растягивающей нагрузки.

Существует несколько различных видов модулей в зависимости от того, как материал растягивается, сгибается или иным образом искажается.Когда компонент подвергается чистому сдвигу, например, цилиндрический стержень при кручении, модуль сдвига описывает линейно-упругую зависимость напряжения от деформации.

Осевая деформация всегда сопровождается поперечными деформациями противоположного знака в двух направлениях, взаимно перпендикулярных осевой деформации. Штаммы, возникающие в результате увеличения длины, обозначаются как положительные (+), а те, которые приводят к уменьшению длины, обозначаются как отрицательные (-). Коэффициент Пуассона определяется как отрицательное значение отношения поперечной деформации к осевой деформации для одноосного напряженного состояния.

Коэффициент Пуассона иногда также определяется как отношение абсолютных значений поперечной и осевой деформации. Это соотношение, как и деформация, не имеет единицы измерения, поскольку обе деформации безразмерны. Для напряжений в пределах упругого диапазона это соотношение примерно постоянно. Для идеально изотропного эластичного материала коэффициент Пуассона составляет 0,25, но для большинства материалов это значение находится в диапазоне от 0,28 до 0,33. Обычно для сталей коэффициент Пуассона составляет приблизительно 0,3.Это означает, что если имеется деформация в один дюйм на дюйм в направлении приложения напряжения, будет 0,3 дюйма на дюйм деформации, перпендикулярной направлению приложения силы.

Только две из упругих постоянных независимы, поэтому, если известны две постоянные, третью можно вычислить по следующей формуле:

E = 2 (1 + n) G.

Модуль жесткости
Где: E = Модуль упругости (модуль Юнга)
n = Коэффициент Пуассона
G = (модуль сдвига).

Пара дополнительных упругих постоянных, которые могут встретиться, включают модуль объемной упругости (K) и константы Ламе (m и l). Модуль объемной упругости используется для описания ситуации, когда кусок материала подвергается увеличению давления со всех сторон. Связь между изменением давления и возникающей в результате деформации представляет собой модуль объемного сжатия. Константы Ламе выводятся из модуля упругости и коэффициента Пуассона.

Предел текучести
В пластичных материалах в какой-то момент кривая напряжения-деформации отклоняется от прямолинейной зависимости, и Закон больше не применяется, поскольку деформация увеличивается быстрее, чем напряжение.С этого момента в испытании на растяжение в образце возникает некоторая остаточная деформация, и считается, что материал пластично реагирует на любое дальнейшее увеличение нагрузки или напряжения. После снятия нагрузки материал не вернется в исходное, ненапряженное состояние. В хрупких материалах пластическая деформация небольшая или отсутствует, и материал разрушается ближе к концу линейно-упругого участка кривой.

Для большинства материалов происходит постепенный переход от упругого к пластическому поведению, и точную точку, в которой начинается пластическая деформация, трудно определить.Поэтому используются различные критерии начала податливости в зависимости от чувствительности измерений деформации и предполагаемого использования данных. (См. Таблицу). В большинстве случаев инженерного проектирования и технических требований используется предел текучести. Предел текучести определяется как напряжение, необходимое для создания небольшой пластической деформации. Предел текучести со смещением - это напряжение, соответствующее пересечению кривой напряжения-деформации и линии, параллельной упругой части кривой, смещенной заданной деформацией (в США смещение обычно равно 0.2% для металлов и 2% для пластмасс).

В Великобритании предел текучести часто называют пределом текучести. Значение смещения составляет 0,1% или 0,5%

Чтобы определить предел текучести с использованием этого смещения, точка находится на оси деформации (ось x), равная 0,002, а затем проводится линия, параллельная линии напряжения-деформации. Эта линия будет немного пересекать линию напряжения-деформации после того, как она начнет изгибаться, и это пересечение определяется как предел текучести с 0.Смещение 2%. Хороший способ взглянуть на предел текучести со смещением состоит в том, что после того, как образец был загружен до его 0,2% -ного предела текучести, а затем выгружен, он будет на 0,2% дольше, чем до испытания. Несмотря на то, что предел текучести предназначен для представления точной точки, в которой материал становится необратимо деформируемым, относительное удлинение 0,2% считается допустимой жертвой из-за легкости, которую он создает при определении предела текучести.

Некоторые материалы, такие как серый чугун или мягкая медь, практически не демонстрируют линейно-упругих свойств.Для этих материалов обычно предел текучести определяется как напряжение, необходимое для создания некоторой общей величины деформации.

  • Истинный предел упругости является очень низким значением и связан с движением нескольких сотен дислокаций. Для обнаружения деформации порядка 2 x 10 -6 дюймов / дюйм требуются измерения микродеформации.
  • Предел пропорциональности - это максимальное напряжение, при котором напряжение прямо пропорционально деформации.Он получается путем наблюдения отклонения от прямолинейной части кривой зависимости деформации от напряжения.
  • Предел упругости - это наибольшее напряжение, которое материал может выдержать без какой-либо измеримой остаточной деформации, остающейся при полном снятии нагрузки. Он определяется с помощью утомительной процедуры пошаговых испытаний на нагрузку-разгрузку. При чувствительности измерения деформации, обычно применяемой в инженерных исследованиях (10 -4 дюйма / дюйм), предел упругости больше, чем предел пропорциональности.С увеличением чувствительности измерения деформации значение предела упругости уменьшается до тех пор, пока в конечном итоге не сравняется с истинным пределом упругости, определенным из измерений микродеформации.
  • Предел текучести - это напряжение, необходимое для создания небольшой заданной величины пластической деформации. Предел текучести, полученный методом смещения, обычно используется в инженерных целях, поскольку он позволяет избежать практических трудностей измерения предела упругости или предела пропорциональности.

Предел прочности при растяжении
Предел прочности при растяжении (UTS) или, проще говоря, предел прочности при растяжении - это максимальный уровень инженерного напряжения, достигаемый при испытании на растяжение. Сила материала - это его способность противостоять внешним воздействиям, не ломаясь. В хрупких материалах UTS будет в конце линейно-упругого участка кривой напряжения-деформации или близко к пределу упругости. В пластичных материалах UTS будет находиться далеко за пределами упругой части в пластической части кривой напряжения-деформации.

На приведенной выше кривой "напряжение-деформация" UTS - это самая высокая точка, в которой линия на мгновение становится плоской. Поскольку в основе UTS лежит инженерное напряжение, оно часто отличается от прочности на разрыв. В пластичных материалах происходит деформационное упрочнение, и напряжение будет продолжать увеличиваться до тех пор, пока не произойдет разрушение, но инженерная кривая напряжения-деформации может показать снижение уровня напряжения до разрушения. Это результат инженерного напряжения, основанного на исходной площади поперечного сечения и не учитывающего сужение, которое обычно возникает в образце для испытаний.UTS может не полностью соответствовать самому высокому уровню нагрузки, которую может выдержать материал, но это значение обычно не используется при проектировании компонентов. Для пластичных металлов текущая практика проектирования заключается в использовании предела текучести для определения размеров статических компонентов. Однако, поскольку UTS легко определить и достаточно воспроизводим, он полезен для целей определения материала и для целей контроля качества. С другой стороны, для хрупких материалов конструкция компонента может быть основана на прочности материала на разрыв.

Меры пластичности (удлинение и уменьшение площади)
Пластичность материала - это мера степени, в которой материал будет деформироваться до разрушения. Величина пластичности является важным фактором при рассмотрении таких операций формования, как прокатка и экструзия. Он также показывает, насколько видимым может стать повреждение компонента от перегрузки до его разрушения. Пластичность также используется в качестве меры контроля качества для оценки уровня примесей и правильной обработки материала.

Традиционными показателями пластичности являются инженерная деформация при разрыве (обычно называемая удлинением) и уменьшение площади разрушения. Оба эти свойства достигаются путем повторной сборки образца после разрушения и измерения изменения длины и площади поперечного сечения. Удлинение - это изменение осевой длины, деленное на исходную длину образца или части образца. Выражается в процентах. Поскольку значительная часть пластической деформации будет сосредоточена в области сужения образца на растяжение, величина удлинения будет зависеть от измерительной длины, на которой проводится измерение.Чем меньше измерительная длина, тем больше большая локальная деформация в области сужения будет учитываться при расчете. Поэтому при сообщении значений удлинения следует указывать расчетную длину.

Один из способов избежать осложнений, связанных с образованием шейки, - это основывать измерение удлинения на равномерной деформации до точки, в которой начинается образование шейки. Иногда это хорошо работает, но некоторые инженерные кривые напряжения-деформации часто бывают довольно пологими в районе максимальной нагрузки, и трудно точно установить напряжение, когда начинается образование шейки.

Уменьшение площади - это изменение площади поперечного сечения, деленное на исходную площадь поперечного сечения. Это изменение измеряется в суженной области образца. Как и относительное удлинение, обычно выражается в процентах.

Как обсуждалось ранее, натяжение - это лишь один из способов нагружения материала. Другие способы нагружения материала включают сжатие, изгиб, сдвиг и кручение, и существует ряд стандартных испытаний, которые были установлены для определения того, как материал работает в этих других условиях нагружения.Очень краткое введение в некоторые из этих других свойств материала будет предоставлено на следующей странице.

.

Что такое модуль упругости? (с рисунками)

Модуль упругости, также известный как модуль упругости или модуль Юнга, является мерой того, как материал или конструкция будут деформироваться и деформироваться при воздействии напряжения. Материалы деформируются по-разному при приложении нагрузок и напряжений, и соотношение между напряжением и деформацией обычно меняется. Способность материала сопротивляться или передавать напряжение важна, и это свойство часто используется для определения того, подходит ли конкретный материал для определенной цели.

Инженеры должны понимать прочность и эластичность конструкций и материалов.

Это свойство часто определяется в лаборатории с использованием экспериментальной техники, известной как испытание на растяжение , которое обычно проводится на образце материала определенной формы и размеров.Доступны различные испытательные устройства, которые прикладывают очень точные нагрузки и напряжения к образцу, а также точно измеряют и записывают любую результирующую деформацию в материале. Модуль упругости известен для самых разных конструкционных материалов, включая металлы, дерево, стекло, резину, керамику, бетон и пластмассы.

Типовое измерение, модуль упругости может использоваться для определения того, сколько бетона может выдержать напряжение, затвердевшее до разрушения или деформации.

Модуль упругости описывает соотношение между напряжением, приложенным к материалу, и его соответствующей деформацией. Напряжение определяется как сила, приложенная к единице площади, с типичными единицами измерения фунтов на квадратный дюйм (фунт / кв. Дюйм) или ньютонов на квадратный метр, также известных как паскалях (Па). Деформация - это мера степени деформации материала при приложении напряжения, которая рассчитывается путем измерения степени деформации под напряжением по сравнению с исходными размерами материала.Модуль упругости основан на законе упругости Гука и может быть рассчитан путем деления напряжения на деформацию.

Для многих материалов при низких уровнях напряжения и при растяжении напряжение и деформация пропорциональны - это означает, что они постоянно увеличиваются и уменьшаются относительно друг друга.Деформация материала, возникающая при пропорциональном поведении напряжения и деформации, известна как упругая деформация или упругая деформация . Модуль упругости описывает взаимосвязь между напряжением и деформацией в этих условиях.

Эластичность - это способность материала возвращаться в исходное состояние или размеры после снятия нагрузки или напряжения.Упругая деформация обратима, то есть деформация исчезнет после снятия напряжения и материал вернется в исходное состояние. Материалы, которые подвергаются сильным уровням напряжения, могут деформироваться до такой степени, что напряжение и деформация больше не будут вести себя пропорционально, и материал не вернется к своим первоначальным размерам. Это называется пластической деформацией или пластической деформацией .

.

Смотрите также