Значение условного предела текучести.
Условный предел текучести (УПТ) – механическая характеристика, показывающая напряжение на металл, вызывающее увеличение деформации без дальнейшего роста нагрузки. Если выразить это определение более простыми словами – значение нагрузки, при которой конструкция из металлов и их сплавов начинает деформироваться.
В металловедении условный предел текучести – значение напряжения, при котором возникает пластическая деформация в 0,2 %.
УПТ характерен для металлов, полученных холоднокатанным методом, поскольку полученные в процессе холодной деформации не обладают ярко выраженным пределом текучести. Пример условного предела текучести 0,2 % наглядно демонстрирует диаграмма напряжения (см. рис. 1).
Рисунок 1.
Рассмотрим значение УПТ на примере стали.
На что влияет условный предел текучести.
Современная промышленность характеризуется применением множества различных металлов и их сплавов. При проектировании инженерам приходится учитывать многие характеристики материалов. Одной из главных является условный предел текучести.
Правильное определение значения УПТ позволяет исключить возможность изменения и разрушения конструкции. Поскольку (из определения) предел текучести металлов и их сплавов определяет напряжение, при котором деформации возрастают без увеличения прикладываемой нагрузки.
Конструкционные элементы и детали из металлов в процессе эксплуатации испытывают значительные нагрузки, в том числе и комбинированные. Готовые изделия подвергаются множеству деформаций – растяжению, сжатию, изгибу, сдвигу и др. Сама нагрузка имеет статическую, динамическую или циклическую природу. Исходя из этого основной задачей специалиста-проектировщика заключается в том, чтобы сделать будущую конструкцию или механизм максимально долговечным и надежным.
УПТ конструкционной стали дает возможность правильно оценить допустимые нагрузки для материалов, из которых изготовлены узлы и детали механизмов или элементы конструкций – здания, сооружения, механизмы.
Знание значения УПТ позволяет правильно подобрать материал для какой-либо конструкции с учетом его механических свойств.
Таким образом, можно смело заявлять, что условный предел текучести оказывает существенное влияние на прочность изделия и его безопасность при эксплуатации.
Определение условного предела текучести.
Условный предел текучести определяется аналитическим методом. Руководящим документом является ГОСТ 12004-81. Рассмотрим схему определения на примере арматурной стали.
Процесс определения УПТ происходит следующим образом. Для испытания берется образец горячекатаной арматурной стали A-IV периодического профиля диаметром 14 мм, длиной 400 мм.
Испытание проводится методом измерения тензометрами деформаций по двум диаметрально противоположным ребрам образца. База одного тензометра lт = 100 мм, а сумма двух баз соответственно составит 200 мм.
Величина остаточной деформации составляет 0,4 мм (0,2 % от суммарной базы тензометров при длине 200 мм).
Образец фиксируется в захватах испытательной машины МИМ. После включения машины к образцу прикладывается нагрузка 1000 кг (≈ 0,08Pmax). Затем устанавливаются тензометры и проводится нагружение образца этапами до его удлинения на 1,0 %. Полученные результаты нагрузок и удлинений сводятся в таблицу (см. табл. 1).
Таблица 1.
Далее методом интерполяции с применением специальной математической формулы определяется числовое значение условного предела текучести. В данном примере он равен 10315 кгс, или 60,0 кгс/мм2.
Помимо аналитического метода определения УПТ ГОСТ допускает использовать графический метод.
Повышение условного предела текучести.
Знание УПТ дополнительно позволяет сократить количество используемого материала без ухудшения прочностных характеристик. В свою очередь это снижает вес конструкций, удешевляет строительство, производство.
Для повышения условного предела текучести в стали вводятся различные добавки.
Так, увеличение концентрации углерода до 1,2 % улучшает прочность, твердость стали, повышает ее УПТ. Дальнейшее увеличение концентрации приводит к ухудшению ряда механических характеристик. Здесь просматривается зависимость на молекулярно-структурном уровне материала.
Микроструктура сталей с различным содержанием углерода.
Отмечено положительное влияние фосфора на физико-химические свойства. В то же время на фоне повышения условного предела текучести снижается ударная вязкость и пластичность материала. Установлено, что безопасная и полезная доля содержания фосфора – 0,025-0,044 %.
Крайне отрицательное воздействие на УПТ оказывает присутствие серы в стали – снижается УПТ, уменьшаются пластичность, устойчивость к коррозии и износу.
Высоким условным пределом текучести обладают легированные стали. Добавка в металл хрома, никеля, ванадия, молибдена и др. элементов существенно повышает механические и физико-химические свойства, в т. ч. и УПТ.
