Прочность металла – это одно из важных свойств, определяющее эксплуатационные характеристики изделий. Его измеряют при производстве различных деталей или заготовок, так как от показателя зависят сроки службы конструкций, их устойчивость, безопасность. В статье расскажем всё о прочности, её важных параметрах, о зависимости от данного свойства характеристик изделий.
Что такое прочность металла, от чего она зависит
Перечисляя свойства металлов, стоит упомянуть прочность. Она характеризуетспособность материала сопротивляться разрушениям и деформациям, происходящим под влиянием сил, прилагаемых извне. Прочный металл эффективно сопротивляется магнитным, механическим разрушающим либо деформирующим, термическим (высокотемпературным) или другим нагрузкам, а также сохраняет первоначальную структуру, исходную целостность.
Прочность любого металла или сплава зависит от разных факторов. Это химический состав материала, а также технология изготовления. Примеси в сплаве могут усиливать прочность либо ослаблять её, в зависимости от свойств конкретных химических элементов, добавленных в сплав. На конечные свойства также влияют некоторые способы термообработки, такие как отпуск, закалка, отжиг.
Характеристики прочности
Прочность – это обобщённое понятие, которое охватывает характеристики:
- Предел текучести – одна из механических характеристик материалов с обозначением σТ, описывающая напряжение, при котором деформации статического типа увеличиваются при том, что нагрузки не растут.
- Предел упругости, обозначаемый σY. Так называется максимально возможное напряжение при нагрузке, после прекращения воздействия которой отсутствуют пластические (остаточные) деформации.
- Предел прочности – это механическое максимальное напряжение, после увеличения которого материал начинает разрушаться. Это порог, после которого тело потеряет свою целостность.
- Предел пропорциональности (σПЦ)считается максимумом напряжения, при котором находится в действии закон Гука: деформирование тела является прямо пропорциональным оказываемому на него силовому воздействию.
- Предел выносливости (либо усталости) σRописывает способность материала принимать нагрузки, провоцирующие цикличные напряжения. Это максимум напряжения цикла, не вызывающего усталостных разрушений после многочисленных нагружений, происходящих циклично.
В чем измеряется прочность металла
Для обозначения предела прочности, считающегося главной прочностной характеристикой, применяют общепринятое обозначение, состоящее из двух греческих букв – σВ. А измеряется значение в Мегапаскалях – МПа. Иногда для измерения используют другую, более понятную единицу – кгс/см2. Это килограмм силы, приложенной на один квадратный сантиметр.
Пределы прочности металлов по ГОСТу
Действующий в РФ ГОСТ под номером 1497-84 устанавливает методики статических испытаний для анализа растяжения образцов из цветных, чёрных металлов. Заготовки должны иметь сечение или диаметр не менее 3 миллиметров. Получают такие образцы штамповкой, с помощью ножниц или на металлорежущем оборудовании.
В ходе исследований изучают пределы текучести (физической, условной) и пропорциональности, временное сопротивление, относительные сужение и удлинение (после разрыва, равномерное), а также модуль упругости. Форма испытываемых заготовок – цилиндрическая либо плоская с рабочей частью толщины не меньше указанных выше 3 мм.
Образцы проверяют на аппаратуре – испытательных универсальных либо узкопрофильных разрывных машинах. Скорость нагружения должна быть постоянной, а также соответствующей области упругости, которая зависит от свойств конкретных металлов.
Для изучения характеристик применяют измерительные устройства – тензометры, штангенциркули, микрометры. Результаты фиксируются на диаграмме растяжения, являющейся графиком, который демонстрирует зависимость напряжений от деформаций. Подробное описание испытательного процесса приведено в соответствующем государственном стандарте.
Виды пределов прочности металла
По воздействию предел прочности бывает:
- Статическим. Нагрузки увеличиваются от нулевого до предельного значения длительно, медленно. После достижения пика они продолжительно сохраняются на постоянном уровне. Статический предел прочности – порог механического стабильного напряжения, при превышении которого тело разрушится.
- Динамическим. При таких нагрузках, влияющих кратковременно и действующих, например, после ударов, происходит ускорение частиц в структуре либо тела, либо контактирующих с ним элементов. Динамическим прочностным пределом называется пороговое значение механического переменного напряжения (при ударных влияниях), после возрастания которого выполненное из определённого материала тело лишится своей целостности. Период нагружения обычно не более нескольких секунд от старта действия нагрузки. По прошествии данного времени происходит разрушение.
По видам прилагаемых усилий прочностные пределы бывают следующими:
- Сжатия. Сдавливающие силы приводят к уменьшению исходного объёма. Предельное значение прочности – порог, после которого сжатие разрушает предмет либо меняет его структуру и геометрию, то есть деформирует. Примеры – фундаменты котлов.
- Растяжения. Предельный здесь показатель, после увеличения которого тело разрушается в результате растягивающего воздействия, оказываемого в направлении оси. При растяжении предмет удлиняется. С момента начала приложения силы до значительного истончения или разрыва обычно проходит не очень много времени. Примеры – приводные ремни в автомобилях, тросы в грузоподъёмном или другом оборудовании.
- Кручения. Действуют либо разнонаправленные парные силы, либо единственная, влияющая на зафиксированное в одном конце тело. Примеры – валы машинных двигателей, мощных станков.
- Изгиба. Под влиянием внешних прикладываемых сил (сгибания) тело меняет кривизну, а после превышения порога разрушается. Чем металл прочнее, тем дольше он противостоит изгибу без разрыва. Чем больше цементирующих, укрепляющих добавок в материале, тем выше предельное значение.
Как определяют прочность металлов
Прочность сталей или иных материалов оценивают на специальной измерительной аппаратуре, обычно в экстензометрах. В ходе тестов образцы постепенно растягиваются либо сжимаются до момента разрыва. Зависимость усилия от роста длины заготовки регистрируется. Экстензометры бывают лазерными, пневматическими, гидравлическими. Как правило, машина имеет привод для приложения силы, измерительные и регистрирующие устройства, фиксирующие механизмы. Некоторые модели оснащаются дополнительно термической камерой для нагревания при анализе огнеупорности.
Также для анализа показателей применяют испытательные стенды. В них образец закрепляется с прочной фиксацией одной стороны. С другой устанавливается механизм с гидравлическим или электромеханическим приводом, прилагающий нагрузку. Сила при изгибании, скручивании или разрыве повышается плавно. Электронная система контроля запоминает измеряемые параметры.
Испытания могут проводить лишь организации с соответствующей аккредитацией, должным техническим оснащением, штатом персонала с высокой квалификацией.
Измерительные методики бывают неразрушающими и разрушающими. В последнем случае образцы изучаются либо до существенных структурных изменений, либо до полного их разрушения, становясь негодными после тестирований. При неразрушающих способах целостность заготовок сохраняется, благодаря чему они могут использоваться повторно, например, для других тестов.
К неразрушающим исследованиям относят:
- визуальные осмотры, в том числе с использованием луп;
- тестирования магнитных частиц;
- оценку проникновения красящих составов;
- ультразвук;
- радиографию;
- анализ герметичности;
- вихретоковый контроль.
Разрушающие исследовательские методики – это механические проверки на усталость, твёрдость, износ, удары, изгибы, растяжения, твёрдость. Обычно такие способы проводятся параллельно с неразрушающими. Один образец делится на две части, испытывается разными методами. Результаты сверяются, сопоставляются.
На что показатель прочности может влиять
Сама прочность зависит, прежде всего, от состава материала. В сплаве всегда присутствуют примеси. Одни добавки легируют, то есть улучшают характеристики. Другие, напротив, портят материал. К легирующим компонентам сталей относят вольфрам, хром, ванадий, кремний, марганец, титан, кобальт, фосфор, углерод. А водород, сера и другие химические элементы, наоборот, придают хрупкость.
На что прочность влияет? На следующие характеристики:
- Износостойкость – степень подверженности истиранию.
- Сопротивление давлению или иным влияниям: кручению, растягиванию, ударам, вибрациям.
- Сохранение первоначальных форм, строения при механических нагрузках.
- Сроки службы металлоизделий.
- Допустимость разных заготовительных технологий, способов термообработки: варки, литья, резки, штамповки, фрезеровки, обжиги, закалки.
- Возможность придания деталям и заготовкам нужной конфигурации, включая сложную.
- Сфера применения металлов, изготовленных из них изделий.
Прочные металлы долго служат, устойчивы к внешним различным воздействиям, выдерживают повышенные нагрузки, незначительно меняют свои первоначальные характеристики со временем или постоянно сохраняют их, могут подвергаться обработке разными методами. Из таких материалов можно изготавливать детали для промышленных станков, сельхозтехники, транспорта, строительного оборудования, различных инструментов и приспособлений – напильников, домкратов, плоскогубцев, секаторов, а также медицинских скальпелей, ножниц.
Важно! Не всегда высокая прочность является преимуществом. Она должна соответствовать назначению материала, сфере его применения. Так, высокопрочные металлы труднее обрабатывать с целью придания сложных форм с многочисленными участками изгибов.
Классы прочности сталей с обозначениями
Стальные изделия используются повсеместно в разных сферах, включая промышленность, строительство, машиностроение. Поэтому прочность стали строго контролируется. Такой справ классифицируется по временному сопротивлению разрывам, по текучести. Выделяют семь классов:
- Первый. Показатель предела прочности нормальный, равен 225 Мегапаскалям. К этой категории относят обычные стали углеродистых горячекатаных марок.
- Со второго по четвёртый. К этим классам причисляют марки горячекатаных либо нормализованных низколегированных сталей с повышенной прочностью – от 285 Мегапаскалей до 390.
- С пятого по седьмой. В этой группе высокопрочные стали с умеренным легированием, прошедшие термическую оптимизацию. Их значения превышают 440 МПа, достигают 735 единиц.
Согласно актуальному ГОСТ, классы сталей маркируются буквенно-числовыми комбинациями. Обозначение «К» присваивается сплавам, произведённым с нормализацией, отпуском, отжигом. А буквами «КТ» маркируются закалённые и отпущенные сплавы.
Классы прочности металлических крепёжных изделий
Класс прочности обязательно определяется для металлоизделий, применяемых для крепежа – надёжного фиксирования отдельных элементов многокомпонентных конструкций. Показатели указываются в нормативной документации, регламентирующей основные механические свойства.
В обозначении класса две цифры с точкой между ними. Идущее впереди число – это разделённый на 100 предел прочности. А второе числовое обозначение, стоящее после точки, является умноженным на 10 отношением предела текучести (выражается в процентах) к временному сопротивлению. Например, если класс – 4.6, то предел составляет 400 Мегапаскалей.
Винты, болты, шпильки делятся на такие группы:
- Лемешные. Применяются в сельскохозяйственной крупногабаритной технике.
- Мебельные. Их назначение – изготовление корпусной и другой мебели, а также строительство некоторых конструкций.
- Дорожные. Используются для фиксации частей металлоконструкций.
- Машиностроительные. Высокопрочные метизы для приборо-, машиностроения.
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.
Самыми прочными считаются следующие металлы с соответствующими значениями пределов: вольфрам (до 1200), титан (600), молибден (около 700), никель (от 400 до 450), цирконий (до 950).
Как повышать прочность
Для увеличения прочности можно:
- Формировать сплавы со структурой без дефектов. Разрабатываются металлы с нитевидными кристаллами. Они прочнее обычных в десятки раз.
- Использовать нагартовку. Под давлением возникает объёмный наклёп, а при дальнейшей обработке дробеструйными установками или накаткой – поверхностный.
- Добиваться легирования, внедряя в состав отдельные элементы из таблицы Менделеева.
- Удалять из сплавов и металлов ненужные примеси. Некоторых из них делают материалы хрупкими.
- Закалять стали – нагревать их до определённых температур с целью улучшения свойств.
Заключение
Прочность сырья влияет на эксплуатационные характеристики металлоизделий, поэтому важно выбрать подходящий материал и оптимальную технологию изготовления. Компания Profbau – это предприятие полного цикла. Мы знаем особенности всех существующих металлов и их сплавов, учитываем их при производственных процессах.
Мы используем современные технологии и автоматизированное оборудование, занимаемся мелкосерийным производством, выпуском крупных партий и подготовкой единичных образцов, в том числе по индивидуальным техническим заданиям или чертежам. Мы гарантируем высокое качество всех металлоизделий, максимальное приближение их геометрии и размеров к заданным параметрам. Формируем лучшие ценовые предложения, выполняем заказы без нарушения сроков. Обратиться к нам можно по телефону, через форму обратной связи на сайте или по электронной почте.
