Межа міцності металу: чому потрібно враховувати цей показник

• Що таке межа міцності металу за ГОСТом
• Види меж міцності металу
• Межа міцності сталі
• Особливості різних класів сталі за міцністю
• Межа міцності різних видів металів

Навіщо знати? Показник межі міцності металу не можна ігнорувати при проведенні розрахунків деталі. В іншому випадку це може призвести до деформації, що в підсумку обернеться фінансовими втратами.

Як оцінити? По суті, межа міцності - це максимальна сила, яку потрібно докласти до матеріалу для його руйнування. Оцінити цей показник можна тільки в лабораторії. Щоб вам не довелося шукати дані для різних металів, ми зібрали їх у нашій статті.

Що таке межа міцності металу за ГОСТом

Межа міцності металу - це одна з головних механічних характеристик матеріалів. Цей термін широко застосовується щодо металів і сплавів у спілкуванні фахівців, проте в технічних довідниках, збірниках нормативів та іншій спеціальній літературі цей показник заведено називати тимчасовим опором.

Міцністю називають опірність сталі або інших матеріалів деформувальним або руйнівним навантаженням, здатність, піддаючись механічним, температурним, магнітним та іншим впливам, зберігати цілісність, структуру і форму.

Межа міцності (або тимчасовий опір металу), здатність до пружної деформації, межа пропорційності, межі пружності та плинності входять до числа основних характеристик міцності на розтягнення.

Для позначення межі міцності металу заведено використовувати символ σв, а для вимірювання - кілограми сили на один квадратний сантиметр (кгс/см2) або мегапаскалі (МПа).

Для випробувань міцності матеріалів на розрив використовують спеціальні стенди. При цьому до зразка, один кінець якого міцно зафіксований, докладають навантаження, що розриває. Для створення зусилля застосовують електромеханічні або гідравлічні приводи. Під час випробування відбувається плавне збільшення навантаження, що розриває, скручує або згинає металеву деталь.

Для зняття параметрів зусилля на розрив і відносного подовження зразків випробувальні стенди обладнуються електронною системою контролю.

Види меж міцності металу

Як уже говорилося, межа міцності є однією з основних фізичних характеристик будь-яких конструкційних матеріалів, зокрема й металів. Цей показник слугує основою для ухвалення рішення щодо можливості застосування конкретних сплавів для виготовлення деталі або необхідності їхньої заміни більш міцними.

Залежно від виду зусилля, що докладається, прийнято розрізняти:

1. Межа міцності металу під час стиснення - вона показує максимальне навантаження, під час перевищення якого постійна або змінна механічна напруга стискає зразок, деформуючи або руйнуючи його. Статичною межею міцності заведено називати порогову величину при постійній напрузі, а динамічною - при змінній. Для стиснення зразка за допомогою механічного навантаження зазвичай потрібен невеликий часовий відрізок.
2. Межа міцності металу при розтягуванні - це максимальне значення механічного навантаження на зразок, при перевищенні якого відбувається його розрив. При цьому мова може йти не тільки про повне руйнування металевого пробника, а й про його неприйнятне потоншення, що також може свідчити про перевищення порога напруги. На розрив або витончення тіла, що піддається випробуванню, також зазвичай не потрібно багато часу.
3. Межа міцності металу під час крутіння має на увазі максимальну величину дотичних напружень, що виникають під час крутіння вала в його небезпечних перетинах, перевищення якої призводить до руйнування зразка. Цей показник використовують при перевірочному розрахунку випробування на міцність, підборі перерізу і визначенні допустимого крутного моменту.
4. Межа міцності металу під час вигину зворотно залежить від його твердості та зростає при збільшенні відсоткової частки цементувальних добавок. Іншими словами, від хімічного складу сплавів, величини карбідних зерен і властивостей цементованого шару зразка залежить міцність під час вигину.

Значну роль при цьому відіграє саме товщина шару цементувального металу в зразку. З її збільшенням завдяки зниженню місцевих напружень відбувається підвищення міцності і навпаки - зменшення цього значення веде до зниження міцності сплаву. Для визначення межі міцності на вигин користуються методикою випробування, за якої одна зосереджена сила, прикладена по центру, руйнує зразок, що вільно лежить на двох опорах.

Межа міцності сталі

Незважаючи на те, що в сучасному виробництві сталеві сплави поступово здають свої позиції під натиском таких нових матеріалів, як різні полімери і композити, вони, як і раніше, служать основним матеріалом, з якого виготовляють відповідальні елементи найрізноманітніших конструкцій і деталей. Коректний розрахунок межі міцності металу, з якого виконані деталі, дає змогу збільшувати термін їхньої служби, домагатися максимальної міцності та безпеки.

Залежно від марки межа міцності металу може коливатися в діапазоні від 300 МПа у звичайних сортів низьковуглецевих конструкційних сталей до 900 МПа у спеціального високолегованого сплаву.

Межа міцності залежить від:

• хімічного складу металу,
• параметрів термообробки (загартування, відпуску, відпалу та інших її етапів).

Вплив домішок може бути як позитивним, так і негативним. Шкідливих включень, що знижують міцність, сплав максимально позбавляють під час виплавки і прокату. Корисні для властивостей сплаву добавки вводять до його складу для поліпшення характеристик.

Крім межі міцності, для проведення розрахунку застосовують пов'язану з нею межу плинності металу (позначення σT). Це величина напруги, за якої деформація наростає без збільшення прикладеної сили. При досягненні порогової величини починається руйнування зразка, тобто розривається частина зв'язків між атомами, а на інші починають діяти підвищені навантаження.

Для елементів конструкцій, що експлуатуються за звичайних навантажень, найважливішими є фізичні характеристики сплаву. Якщо ж деталі призначені для роботи під впливом екстремальної температури, великого тиску, високої вологості або в агресивному середовищі, на перший план виходять фізико-хімічні показники, які, як і механічні, сильно залежать від хімічного складу:

1. З підвищенням відсоткової частки вуглецю зростають міцність і твердість металу, проте знижується його пластичність. Це відбувається приблизно до досягнення 1%-ної концентрації вуглецю, а далі характеристики починають погіршуватися.
2. Збільшення відсоткової частки вуглецю спричиняє підвищення порога холодоємності, що дає змогу виробляти морозостійкі та кріогенні сорти сталі.
3. Велика частина сталевих сплавів містить марганець, який дає змогу витіснити з розплавленого металу кисень і сірку. Приблизно до 2 % цей елемент, що вводиться до складу сталі, сприяє поліпшенню ковкості та зварюваності, проте подальше збільшення відсоткової частки веде до розтріскування під час термічної обробки.
4. За допомогою кремнію розкислюють сталеві сплави. Вмістом цього елемента визначається розподіл марок сталі на спокійні високовуглецеві з відсотковою часткою до 0,6 % і напівспокійні з ще нижчим вмістом Si - до 0,1 %.
5. Кремній у поєднанні з марганцем або молібденом підвищує загартовуваність сплаву, а з хромом і нікелем - збільшує стійкість до корозії.
6. Вміст у складі металу азоту і кисню негативно позначається на міцності. Крім того, наявність у кристалічній решітці сполук цих елементів призводить, крім погіршення характеристик міцності, до зниження пластичності сплавів.

Особливості різних класів сталі за міцністю

Розрізняють сім класів сталі. В основу класифікації покладено плинність і тимчасовий опір при розриві:

• перший клас - це сталь із межею міцності 225 МПа,
• три класи з тимчасовим опором від 285 до 390 МПа (з 2-го по 4-й),
• три класи з тимчасовим опором від 440 до 735 МПа (з 5-го по 7-й).

До першого класу в основному належать звичайні гарячекатані вуглецеві марки сталі. Наступні три - прокат з низьколегованих типів сталі (нормалізованих або гарячекатаних). З п'ятого по сьомий - прокат термічно оптимізованого металу з економним легуванням.

За винятком типу сталі, що належить до першого класу, інші також можуть бути отримані за допомогою термічного, термомеханічного зміцнення або контрольованої прокатки.

Для позначення категорій міцності сталі ГОСТ 977 від 1988 року наказує буквене маркування "К" або "КТ", після яких йде вказівка межі плинності цифрами. Буква "К" позначає відпалену, нормалізовану або відпущену сталь. Сорти, що пройшли загартовування і відпустку, позначають буквами "КТ".

Крім того, під час вибору марки сталі для тієї чи іншої конструкції важливу роль інженери відводять коефіцієнту запасу, який, як випливає з назви, відображає здатність деталей витримувати навантаження, що перевищують розрахункові. Якщо на одному з етапів, чи то проєктування, виготовлення, чи то експлуатація виробів, є помилка, запас міцності дає змогу мінімізувати ризик руйнування.

Межа міцності різних видів металів

Межа міцності міді

Відпалена технічна мідь при температурі +20...+22 °С (кімнатна температура) має межу міцності 225,5 МПа. При нагріванні відбувається зниження цього показника. Також тимчасовий опір може змінюватися як у бік зменшення, так і збільшення при введенні до складу мідного сплаву легуючих добавок або за наявності домішок.

Межа міцності алюмінію

Межа міцності відпаленого технічного алюмінію за температури +20...+22 °С дорівнює 78,48 МПа. Чим чистіший метал, тим менша його міцність і вища пластичність. Так, для литого в землю алюмінію цей показник становить 49 МПа.

Нагрівання зменшує тимчасовий опір, а зниження температури з +27 °С до -269 °С призводить до його підвищення в 4 рази для алюмінію технічної чистоти і в 7 разів для високочистого. Підвищити межу міцності алюмінієвого сплаву можна за допомогою легування.

Межа міцності звичайного чавуну

Методику визначення тимчасового опору визначає ГОСТ 27298 від 1987 року для випробування на розтягнення виливків із чавуну.

Межа міцності сірого чавуну

Згідно з ГОСТ 1412 від 1985 року для сірих видів чавуну прийнято літерне маркування одиниці виміру межі міцності металу у вигляді "СЧ" і цифрове зазначення мінімального тимчасового опору.

Цей стандарт регламентує значення межі міцності для сплавів з пластинчастим графітом марок С410 - С435. Мінімальна величина цього показника для сірих типів чавуну - від 100 до 350 МПа, а максимальна може на 100 МПа перевищувати значення за ГОСТом, якщо в технічних умовах не обумовлюється інше.

Межа міцності високоміцного чавуну

Для високоміцних сортів чавуну також до маркування включають цифровий індекс, що вказує значення межі міцності під час розтягування, яке (згідно з ГОСТ 7293 від 1985 року) коливається в межах від 350 до 1 000 МПа.

Чавун з кулястим графітом можна порівняти за міцністю зі сталлю.

Підбиваючи підсумок, слід зазначити надзвичайну важливість межі міцності металів для застосування в сучасному виробництві, яке з кожним днем вимагає дедалі більше сплавів з високими фізичними показниками для виготовлення металоконструкцій, відповідальних вузлів різних механізмів та інших виробів. Особливу роль під час їх проєктування відіграє коректний розрахунок тимчасового опору металів.