Mez kluzu: definice, měření charakteristik oceli, zkoušení slitin

Výroba válcování zahrnuje výrobu různých jakostí konstrukční oceli, z nichž každá má individuální mechanické vlastnosti. Ocelové konstrukce jsou během provozu vystaveny různému stupni ohybu a tlaku, tahu a rázu a stupeň jejich pevnosti a trvanlivosti závisí pouze na mechanických vlastnostech kovů. Pro správné výpočty se používá speciální kalkulační vzorec.

Druhy deformací oceli

Těžkým konstrukcím je třeba dodat dodatečnou pevnost a spolehlivost, a proto jsou na vlastnosti kovů používaných k výrobě kladeny zvláštní požadavky.

Při výpočtu rozměrů konstrukce hraje důležitou roli snížení hmotnosti konstrukce bez ztráty její nosnosti. Konstrukční kovy používané pro výrobu kovových konstrukcí musí mít dostatečně vysoké ukazatele pevnosti a dobrou tažnost.

Odolnost vůči deformaci a destrukci pod vlivem vnějšího zatížení do značné míry závisí na tom, jakými vlastnostmi je kov vybaven. Při výrobě oceli dochází k deformaci ve dvou formách: elastické a plastické.

Jsou popsány různými vlastnostmi. Dnes se pro testování kovových vzorků používá několik metod, které určují hodnoty proporcionality, elasticity, tekutosti a dalších důležitých charakteristik.

Moderní definice oceli zní jako tvrdá slitina železa a uhlíku, jejíž procentuální zastoupení určuje základní vlastnosti oceli. Čím vyšší obsah uhlíku, tím pevnější a tvrdší kov, ale nižší houževnatost a tažnost. Proto je tak důležité správně vypočítat poměr těchto ukazatelů pro výrobu určitých výrobků z oceli. Stalo se zvykem označovat každou skupinu jinak.

Konstrukční uhlíková ocel je označena písmeny St a číselným označením od 1 do 9 a také dvěma písmeny v závislosti na způsobu dezoxidace kovu (St. 3kp):

1. kp – vroucí;
2. ps – poloklidný;
3. sp – klidný.

Vysoce kvalitní – ve dvoumístných číslech: 05,08,10. 45. což udává průměrné množství uhlíku ve složení oceli.

Mez kluzu oceli

Mezní mez proporcionality oceli určuje napětí, při kterém funguje Hookeův zákon, podle kterého je deformace, ke které dochází v pružném tělese, úměrná síle, která na něj působí. Pokud se napětí změní, tento zákon ztrácí svůj význam.

Důležitou fyzikální veličinou zapojenou do vzorce při výpočtu pevnosti konstrukce je mez kluzu kovu. Když kov dosáhne své fyzikální hranice, i sebemenší zvýšení napětí může prodloužit vzorek, který začne jakoby téci, odkud pochází jeho označení. V tomto ohledu mez kluzu oceli ukazuje kritické napětí, když se materiál deformuje bez zvýšení zatížení.

Jednotka, ve které se měří mez kluzu, se bude nazývat Pascal (Pa) nebo MegaPascal (MPa). Vzorek, který překonal tuto hranici, dostává nevratné změny – různé stupně deformace, narušení strukturní struktury krystalové mřížky a různé plastické přeměny.

Pokud se zvýšením tahové hodnoty síly překročí mez průtažnosti, zvýší se deformace kovu. V diagramu je to znázorněno jako vodorovná přímka, na které lze měřit maximální napětí získané po zastavení nárůstu zátěže. Takzvaná mez kluzu St 3 je 2450 kg/cmXNUMX.

Tento indikátor se liší pro různé třídy oceli a může se lišit v důsledku použití různých teplotních podmínek a typů tepelného zpracování. Pro přesné určení meze kluzu oceli se používá tabulka, kde jsou hodnoty mezí kluzu uvedeny v závislosti na jakosti oceli. Jako příklad, podle tabulky, ocel 20 má mez kluzu 250 MPa a ocel 45 – 360.

Při zkoušení mají některé kovy na diagramu slabě vyjádřenou oblast tažnosti nebo zcela chybí, proto je na ně aplikována podmíněná mez tažnosti.

Materiály, na které se vztahuje podmíněná mez kluzu, jsou především zástupci vysokouhlíkových a legovaných ocelí, duralu, litiny, bronzu a mnoha dalších.

Elastický limit

Velmi důležitou složkou mechanického stavu kovů je mez pružnosti oceli. S jeho pomocí se stanoví maximální přípustná úroveň zatížení při provozu kovu, když dojde k drobným deformacím v rámci přípustných hodnot.

Konstrukční materiály musí kombinovat vysoké meze tažnosti, při kterých snesou velké zatížení, a mít dostatečnou elasticitu, která zajistí potřebnou tuhost vyráběné konstrukce. Samotný modul pružnosti má stejnou hodnotu v tahu a tlaku, ale má zcela jiné meze pružnosti – stejně tuhé struktury tedy mohou mít zcela odlišné rozsahy pružnosti.

V tomto případě kov v elastickém stavu nepodléhá makroplastickým deformacím, i když v jeho jednotlivých mikroskopických objemech může docházet k lokálním deformacím. Díky nim dochází k nepružným jevům, které vážně ovlivňují chování jednotlivých kovů ve stavu elasticity.

Statická zatížení v tomto případě vedou k výskytu jevů hystereze, relaxace a elastických následků, zatímco dynamická zatížení vyvolávají vzhled vnitřního tření.

Během relaxačního procesu dochází k nepovolenému poklesu napětí. To vede ke vzniku zbytkové deformace, když aktivní zatížení již není účinné. Při vnitřním tření dochází ke ztrátě energie. To způsobuje nevratné důsledky, které jsou charakterizovány úbytkem tlumení a koeficientem vnitřního tření.

Takové kovy aktivně tlumí vibrace a omezují zvuk, například šedá litina, nebo volně šíří vibrace, stejně jako zvonový bronz. S rostoucí teplotní expozicí se elasticita kovů snižuje.

Pevnost v tahu

Pevnost oceli v tahu, ke které dochází po překročení její meze kluzu a umožňuje vzorku začít znovu odolávat tahu, je na grafu zobrazena čárou, která stoupá mělčeji.

Začíná fáze dočasného odporu vůči aktuální konstantní zátěži. Když je aplikováno maximální napětí v bodě konečné pevnosti, objeví se oblast, kde se plocha průřezu zmenšuje a hrdlo se výrazně zužuje.

V tomto případě se zkušební vzorek v nejužším místě zlomí, jeho napětí se sníží a velikost síly se sníží. Pevnost v tahu pro Art. 3 je 4000-5000 kg/cmXNUMX.

апрель 09,2024

Ve vědě o materiálech je pevnost základem každého materiálu, který se používá pro jakoukoli aplikaci. Tento článek se bude zabývat dvěma životně důležitými vlastnostmi, jmenovitě mez kluzu a pevnost v tahu, které se mohou zdát podobné nebo příbuzné, ale ve skutečnosti obě představují různé aspekty konkrétního materiálu při zatížení nebo napětí. Pochopení rozdílů a podobností mezi oběma vlastnostmi je zásadní pro přizpůsobení jakékoli aplikace k zajištění faktorů, jako je bezpečnost, odolnost a trvanlivost. Kromě toho norma ASTM výrazně ovlivňuje rozdíl mezi těmito mechanickými vlastnostmi, takže je činí kritickými a citlivými při výběru materiálu a designu pro jakoukoli aplikaci.

Přehled mechanických vlastností materiálů

Mechanické vlastnosti hrají důležitou roli v oblasti nauky o materiálech, splňují specifické požadavky pro různé aplikace. Bez ohledu na průmysl, od letectví přes automobilový průmysl až po výrobu, mají tyto vlastnosti prvořadý význam pro výběr materiálů a design. Mezi všemi ostatními vlastnostmi je naše velká pozornost věnována pevnosti v tahu a meze kluzu. Bod, ve kterém materiál prochází trvalou deformací, se vztahuje k jeho meze kluzu, zatímco maximální zatížení nebo napětí, které materiál vydrží před porušením, se vztahuje k jeho pevnosti v tahu.

Kromě toho jsou níže uvedeny hlavní mechanické vlastnosti:

Obrázek 1. Mechanické vlastnosti

Pochopení meze kluzu

Definice a význam

Mez kluzu je maximální únosnost konkrétního materiálu bez způsobení trvalé deformace. Odtud přechodový bod z elastické do plastické oblasti.

Význam této vlastnosti lze určit podle toho, jak důležitou roli hraje při navrhování materiálů a strukturální integrita, což se ukazuje jako kritický parametr pro bezpečný provoz materiálů. Za druhé, tato vlastnost pomáhá inženýrům studovat a určit, jak velké zatížení materiál vydrží před selháním.

Elastická a plastická deformace:

Tabulka 1. Pružná a plastická deformace

Po odstranění materiálu se působící síla vrátí do původního tvaru, tzn. deformace je dočasná.

Materiál si zachovává svůj změněný tvar, tzn. trvalá deformace.

Deformace napětí Lineární závislost

Nelineární vztah mezi stresem a zátěží.

Lineární řez v oblasti startu.

Neexistuje žádná jasně definovaná lineární část.

Energie se elasticky ukládá a uvolňuje se při uvolnění stresu.

Vnitřní přeskupení atomů nebo molekulárních vazeb způsobuje disipaci energie.

Tváření kovů, kování

Role při výběru materiálu a designu:

• Síla materiálu
• Bezpečnost a spolehlivost
• Optimalizace

Faktory ovlivňující mez kluzu

1. Složení materiálu: co je uhlíková ocel?

Ocel sestávající ze železa a uhlíku jako hlavních prvků s malým množstvím dalších legujících prvků, jako je Mn, Si a S, je známá jako uhlíková ocel. Množství uhlíku se pohybuje od 0.05 % do 2 %, což ovlivňuje mez kluzu a další mechanické vlastnosti. Vysoký obsah uhlíku zvyšuje mez kluzu v důsledku mechanismu zpevňování tuhého roztoku a přebytek uhlíku vede ke křehnutí oceli.

Obrázek 2 Uhlíková ocel

1. Tepelné zpracování a podmínky prostředí

Tepelné zpracování a podmínky prostředí mají také významný vliv na mez kluzu materiálu.

• Tepelné zpracování: Metody tepelného zpracování, jako je kalení a popouštění, mohou změnit mikrostrukturu uhlíkové oceli a změnit její mez kluzu. Kalení zvyšuje mez kluzu rychlým ochlazením v oleji nebo vodě. Na druhé straně popouštění zvyšuje celkovou houževnatost a snižuje křehkost způsobenou kalením.
• Podmínky prostředí: Teplota, vlhkost, vlhkost a vystavení korozivním a korozivním látkám mají velký vliv na mez kluzu materiálu.

Měření meze kluzu

1. Křivky napětí-deformace: Vizualizace napětí na mezi kluzu

Po určení meze kluzu na křivce je napětí odpovídající tomuto bodu mez kluzu materiálu. Kromě toho lze odečet osy napětí meze kluzu odečítat přímo, pokud je mez kluzu materiálu určena správně, jinak lze použít jiný přístup, jako je metoda 0.2% offsetu. Tato metoda zahrnuje nakreslení rovnoběžné čáry k lineární části křivky a její posunutí o procento napětí.

1. Standardní zkušební metody

Pro stanovení meze kluzu se používá několik metod. Ty běžné jsou uvedeny níže:

• Před porušením je na vzorek materiálu aplikována maximální síla (tah).
• Následná křivka napětí-deformace získaná z testu poskytuje cenná data i mez kluzu.

• Pro stanovení meze kluzu se používá určité množství plastické deformace, obvykle 0.2 %.

Tyto metody splňují zavedené standardy stanovené organizacemi jako ASTM a ISO a zajišťují efektivitu, přesnost a konzistenci měření meze kluzu.

Studie pevnosti v tahu

Stanovení pevnosti v tahu

Maximální únosnost bez porušení je definována jako mez pevnosti. Tato vlastnost umožňuje inženýrům odhadnout tahovou sílu, což je natažení nebo prodloužení pod napětím, kterému materiál může odolat, aniž by způsobil trvalé poškození.

Konečný bod napětí a konečná síla:

Bod konečného napětí označuje bod, ve kterém konkrétní materiál selže, a výsledná hodnota napětí je známá jako konečná pevnost nebo konečná pevnost v tahu (UTS), což je nejvyšší napětí před úplným selháním, kterému materiál může odolat.

Vztah k selhání materiálu:

Pevnost v tahu je kritickým parametrem pro jakýkoli materiál pro určení jeho náchylnosti k porušení tahem. Při tahovém zatížení dochází k deformaci materiálů, tj. z elastické do plastické oblasti. Nakonec, když aplikované zatížení překročí pevnost materiálu v tahu, má to za následek selhání, které nakonec vede k selhání.

Determinanty pevnosti v tahu

Mezi faktory, které určují pevnost oceli v tahu, patří různé faktory související s typem materiálu, mikrostrukturou, výrobními postupy a použitými materiály.

Typ materiálu a mikrostruktura:

Typ materiálu a mikrostruktura hrají zásadní roli při určování pevnosti v tahu. To lze dále vysvětlit na příkladu duplexní nerezavějící oceli s martenzitickou přeměnou a také precipitačně kalených tříd, které mají větší pevnost v tahu ve srovnání s austenitickou ocelí.

Kromě toho mají legující prvky jako Cr, Mb a Ni také velký vliv na mechanické a korozivzdorné vlastnosti ocelových součástí. Například feritické třídy s vysokým obsahem chrómu, jako je 446, mají vysokou tepelnou odolnost.

Výrobní postupy a použité materiály:

• Přidávání slitin během výroby se provádí za účelem zlepšení pevnostních vlastností materiálu součásti, zejména pevnosti v tahu, zejména slitin jako Mn, Nb a V. Jejich přidání však může zhoršit další vlastnosti včetně svařitelnosti, houževnatosti a tažnosti.
• Mechanické zpracování má také velký vliv na zvýšení pevnosti v tahu, zejména když se ocel válcová, stává se pevnější.
• Různé procesy tepelného zpracování, jako je normalizace, kalení a popouštění a termomechanické válcování, mají velký vliv na pevnost v tahu a různé další mechanické vlastnosti oceli.

Zkouška pevnosti v tahu

1. Zařízení pro zkoušení tahem

Pro tahové zkoušky se používají následující zařízení:

Stroj na zkoušení tahem:

1. Jiný název je univerzální testovací stroj,
2. Na vzorek materiálu je aplikována zvýšená tažná síla, dokud se nerozbije.
3. Skládá se z tenzometru pro měření použité síly a křížové hlavy pro uchopení a roztažení vzorku.

Obrázek 3. Stroj na zkoušení tahem

1. Je připevněna ke vzorku, aby se změřila velikost prodloužení nebo deformace, ke které dochází.
2. Poskytuje údaje o deformaci, které jsou kritické pro výpočty pevnosti v tahu.

Obrázek 4. Extenzometr

1. Jak vypočítat konečnou sílu: Interpretace výsledků testu

K určení pevnosti materiálu se používají následující kroky:

• Určete plochu průřezu
• Vypočítejte stres
• Určení konečné pevnosti v tahu (UTS)
• Interpretujte výsledky testu.

Mez kluzu a pevnost v tahu: jaký je rozdíl?

Srovnávací analýza

Tabulka 2. Mez kluzu v závislosti na pevnosti v tahu

Použitelné pro plastové materiály.

Používá se pro křehké materiály.

Posuzují se víceosé napěťové stavy.

Studovali pouze při jednoosém zatížení.

Zohledněna odhadovaná hodnota.

Přesné hodnoty se 100% přesností

Určeno v místě plastické zóny.

Stanoví se v místě zlomeniny.

Odkaz na YouTube:

Grafické znázornění křivek napětí-deformace:

• Mez kluzu: Jak je znázorněno v grafu napětí-deformace, odchylka křivky od lineární části křivky, tj. od elastické oblasti a začátku pohybu do plastické oblasti, je mez kluzu.
• Konečná pevnost: Vrcholový bod na křivce napětí-deformace udávající maximální napětí, kterému může materiál odolat před porušením.

Obrázek 5. Křivka napětí-deformace zobrazující mez kluzu a pevnost v tahu.

Mez kluzu a pevnost v tahu v různých materiálech

Tabulka 3. Mez kluzu a pevnost v tahu různých materiálů