Предел прочности материала это

Предел прочности материала это

Прочность — это способность материалов сопро­тивляться внутренним напряжениям, возникающим под действием внешних нагрузок.

В конструкциях строительные материалы в зависимости от характера нагрузки могут испытывать различные напряжения: сжатие, растяжение, изгиб и др.

Это свойство строительных материалов характеризуется пределом прочности, т. е. напряжением в материале, со­ответствующем нагрузке, при которой происходит разрушение образца. Предел прочности при сжатии или растяжении (R) ра­вен отношению разрушающей силы (R_разр) к первоначальной площади образца (F):

Разрушающую, т. е. максимальную, нагрузку определяют на гидравлических прессах или разрывных машинах различной мощ­ности. Результаты этих испытаний зависят от прочности веще­ства, из которого состоит материал, его формы, размеров, ско­рости нарастания нагрузки и пр. Для испытания на растяжение применяют обычно образцы в виде восьмерок, а на сжатие — кубики различных размеров (с длиной ребра от 3 до 30 см) или цилиндры. При испытании цилиндров показатели предела проч­ности при сжатии бывают примерно на 25% меньше, чем куби­ков. Небольшие образцы имеют более высокий предел прочности при сжатии, чем крупные. Это объясняется тем, что сжа­тие сопровождается поперечным расширением. Две плоскости испытуемого образца прижимаются к плитам пресса, и возникающие при этом силы трения удерживают прилегающие части от поперечного расширения и, следова­тельно, от разрушения. Чем больше относительная высота образца, тем меньше влияние опор прессовых плит на его прочность. По этой причине большин­ство каменных материалов при сжатии разрушается так, как это показано на рисунке 2.

Изменения предела прочности при сжатии для каменных материалов в за­висимости от размеров образца приве­дены в таблице 1.

Рис. 2. Характер разру­шения кубика из камен­ных материалов при ис­пытании их на сжатие.

Таблица 1 Переходные коэффициенты для определения пределов прочности при сжатии каменных материалов

Каменные материалы (горные породы, бетоны, кирпич) при растяжении выдерживают нагрузку, в 10-20 раз меньшую, чем при сжатии. Другие строительные материалы, например сталь, древесина, пластмассы, одинаково хорошо сопротивляются как сжатию, так и растяжению.

Предел прочности при изгибе определяют испытанием не­больших балочек, изготовленных из проверяемого материала. Разрушают эти балочки одним или двумя сосредоточенными грузами (рис. 3).

Рис. 3. Схемы испытания строительных материалов на изгиб сосредоточенными грузами: а — одним; б — двумя.

Предел прочности при изгибе равен: при одном грузе

при двух грузах

где Р_разр — разрушающая нагрузка, кг;
l — расстояние между опорами, см;
а — расстояние между грузами, см;
b и h — соответственно ширина и высота балочки, см.

Условия проведения этих испытаний приведены в стандар­тах (ГОСТ) на соответствующие материалы.

Однако необходимо иметь в виду, что различные конструк­ции и сооружения рассчитывают не по пределу прочности, а по допускаемому напряжению:

где z — коэффициент запаса прочности, величина которого более единицы. Это требование к величине допускаемого напряжения обусловливается следующими причинами.

1. Полученные при испытаниях показатели дают представ­ление только о среднем значении прочности материалов. Вслед­ствие своей неоднородности материалы в наиболее слабых местах разрушаются раньше, чем напряжение достигнет этой средней величины. Поэтому запас прочности принимают тем большим, чем выше, неоднородность материала.

2. Многие материалы, нагруженные до появления напряже­ния, составляющего 50-70% предела прочности, сильно дефор­мируются.

3. При многократной переменной нагрузке наступает так называемая усталость материалов, и они могут разрушаться при напряжении, равном половине предела прочности.

4. Действие различных атмосферных факторов вызывает из­менение первоначальных свойств материалов, и они стареют, что, естественно, сопровождается понижением их прочности.

Для обеспечения достаточной прочности сооружений при дей­ствии перечисленных факторов, а также нагрузок, не учтенных в расчетах или учтенных недостаточно точно вследствие несовер­шенства методов испытаний, в нормах на строительное проек­тирование установлены определенные запасы прочности для раз­ных материалов и конструкций (z = 2-3 и более).

Два важных свойства строительных материалов — объем­ный вес и прочность — требуют введения еще одного коэффициента — конструктивного качества (К. К. К.). Он характери­зуется отношением прочности материала к его объемному весу:

Наилучшим в конструктивном отношении материалом будет тот, который имеет наивысший коэффициент конструктивного качества. Такие материалы позволяют создавать прочные и в то же время легкие сооружения. К. К. К. основных строительных материалов имеет следующие величины:

3.3. Определение предела прочности при сжатии

Прочность строительных материалов характеризуется пределом прочности. Пределом прочности называется напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение образца материала. Предел прочности при сжатии для различных материалов колеблется от 0,5 до 1000 МПа и более и определяется по формуле:

,

где Р_разр – разрушающая сжимающая сила, кгс; F – первоначальная площадь образца, см 2 .

Различают разрушающие и неразрушающие методы определения прочности строительных материалов.

3.3.1 Разрушающие методы определения прочности строительных материалов.

Разрушающим методом определение прочности при сжатии является испытание образцов на механических или гидравлических прессах (рис. 3.3). Для этой цели применяют образцы в форме кубов, цилиндров, призм. Учитывая, что на показания пресса оказывают влияния форма, размеры образца, характер его поверхности, скорость приложения нагрузки и другие факторы, необходимо придерживаться стандартных метолов испытания, установленных для данного материала. Мощность пресса должна не менее чем в 1,25 раза превышать разрушающую нагрузку на образец. Недостатки метода: громоздкость пресса, необходимость силовой электроэнергии, разрушение образцов, а не материала продукции (между ними может быть существенная разница).

Приборы и материалы: пресс гидравлический, образец строительного материала, линейка мерная.

Образцы перед испытанием осматривают и измеряют. Они должны иметь правильную геометрическую форму и параллельные противоположные грани. Рабочая площадь сечения образца F, см 2 , определяется как среднее арифметическое площадей обеих опорных граней с округлением до 0,1 см 2 .

Образец устанавливают одной из ранее отмеченных граней на нижнюю опорную плиту пресса так, чтобы оси образца и плиты совпадали. Возрастание нагрузки на образец должно происходить плавно и со скоростью, предусмотренной стандартом применительно к типу пресса и размерами образцов. Количество образцов должно быть не менее трех. Полученные результаты заносят в табл. 3.3.

3.3.1.а. Определение коэффициента размягчения

Коэффициентом размягчения называется отношение прочности насыщенного водой материала к его прочности в сухом состоянии. Этот коэффициент характеризует водостойкость материала и изменяется в пределах 0…1. Для строительных конструкций, находящихся в воде или эксплуатирующихся в местах постоянного увлажнения, нельзя применять материалы с коэффициентом размягчения менее 0,8, для стеновых материалов – менее 0,6.

,

где R_нас, R_сух – предел прочности при сжатии образцов соответственно в насыщенном водой и сухом состоянии, МПа.

3.3.2. Неразрушающие методы определения прочности строительных материалов.

Неразрушающие методы оценки прочности строительных материалов подразделяются на механические и физические. Они основаны на зависимости прочности материала от какой-либо другой физико-механической характеристики материала .

3.3.2.а. Механические неразрушающие методы определения прочности материала.

Механические неразрушающие методы основаны на измерениях:

а) величины отпечатка штампов на бетоне, получаемых от вдавливания штампов с помощью специальных приборов (штамп Хайдукова Г., молоток Физделя И.А. и др.);

б) отношения величины отпечатков, полученных при вдавливании ударника в поверхность бетона и отпечатка на эталоне (молоток Макарова К.П., Польди и др.);

в) величины упругого отскока (пистолет Борового С.Н., склерометр Шмидта);

г) прочности бетона методом стрельбы (метод Скрамтаева В.Г. – стрельба из нагана, строительно-монтажный пистолет СМП);

д) усилия отрыва стержней, дисков из материала (прибор Вольфа).

Приборы и материалы: эталонный молоток Кашкарова К.П. (рис.3.4.); угловой масштаб; бетонные образцы.

Прочность определяют эталонным молотком Кашкарова К.П. Молоток состоит из головки, корпуса с ручкой, стакана, пружины и шарика. В станке имеются отверстия, через которые вставляются эталонные стержни из стали класса А-І.

Бетонный образец устанавливают на твердое основание испытываемой гранью вверх. В молоток вставляют стержень и несколькими ударами (5-6 раз) средней силы на образце делают круглые отпечатки. Каждый следующий удар производят через 20мм. Угловым масштабом измеряют с точностью до 0,1мм диаметры отпечатков на бетоне d_б и на эталонном стержне (d_э). определяют среднее значение d_б и d_э, по которому вычисляют отношение d_б /d_э. пользуясь тарировочной кривой (рис. 3.5), определяют прочность бетона. Результаты заносят в табл. 3.3.

Преимущество метода – простота, портативность прибора, возможность определения прочности непосредственно в конструкциях. Недостаток метода – возможность определения прочности только в поверхностном слое.

3.3.2.б. Физические неразрушающие методы определения прочности материалов.

К физическим методам испытания прочности бетона относятся ультразвуковой импульсный, резонансный и радиометрический методы, позволяющие судить о качестве испытуемого бетона не только по его поверхностному слою, но и по внутренней структуре.

При резонансном методе свойства бетона оценивают по динамическому модулю упругости и логарифмическому декременту затухания.

Радиометрический метод определения основных физико-механических свойств основан на законе ослабления потока лучей после их взаимодействия с испытуемой средой.

При ультразвуковом импульсном методе о свойствах бетона судят по скорости распространения ультразвукового импульса и интенсивности его затухания.

В последнее время также получили распространения приборы, основанные на измерении магнитной проницаемости, диэлектрической постоянной и характеристик электропроводности.

Подготовка прибора к работе:

переключатели дискретно-цифрового отсчета «х10», «хІх», «х0,1» установить в «0» положение, тумблер «+200» в верхнее положение, тумблер «Задержка» — в любое положение.

Включить тумблер сетевого питания, при этом должна загораться индикаторная лампа;

Смазать торцы датчика приемника и излучателя техническим вазелином и прижать их друг к другу, при этом должна загореться индикаторная лампа включения прибора. Через 3…10 с должен начать работать излучатель, что сопровождается появлением характерного звука частоты 30…40 Гц, при этом загорается индикаторная лампа;

Придерживая пальцами торцы датчиков прибора, раздвинуть их. Индикаторная лампа должна гореть, пока расстояние между торцами датчиков будет не менее 60…70мм;

Проверить коррекцию приборной поправки. Для этого тумблер «+200» поставить в нижнее положение: прижать друг к другу предварительно смазанные торцевые поверхности датчиков и затем вращать ручку «Коррекция» по часовой стрелке до момента загорания индикаторной лампы.

Работа с приборами:

прижать торцы датчиков к исследуемому материалу с противоположных боковых граней;

установить тумблер «+200» в верхнее положение, если при этом загорится индикаторная лампа, тумблер возвращается в нижнее положение;

переключатель дискретного отсчета «+10» поворачивают по часовой стрелке до момента загорания индикаторной лампы. При загорании индикаторной лампы ручку с множителем «+10» повернуть против часовой стрелки на одно положение, лампа должна погаснуть;

переключатель дискретного отсчета «хІх» вращают по часовой стрелке до момента загорания индикаторной лампы. При загорании индикаторной лампы ручку поворачивают против часовой стрелки на одно положение, лампа должна погаснуть;

переключатель дискретного отсчета «х0,1» вращают по часовой стрелке до момента загорания индикаторной лампы. На этом измерение заканчивают. Снимают отсчет показания тумблера и переключатель дискретного отсчета (время измеряют в микросекундах).

Определяют скорость прохождения ультразвука через образец

,

где V – скорость распространения ультразвука, м/с; l – толщина образца, мм; t – время распространения ультразвука, мкс.

По тарировочной кривой определяют прочность материала (рис. 3.7) и данные помещают в табл. 3.3.

По данным табл. 3.3 можно сделать вывод о целесообразности применения и согласования разрушающих и неразрушающих методов определения прочности строительных материалов.

Ультразвуковой прибор «Бетон – 3М» есть простым и надежным в эксплуатации, но используют и более современные аппараты, такие как «Бетон – 5» и «УК – 10ПМ».

Ход работы на ультразвуковом приборе «Бетон – 5».

Смазать торцы датчика и излучателя техническим вазелином и приложить их к исследуемому образцу с противоположных боковых граней соответственно.

Установить тумблер «+200» в верхнее положение. При появлении сигнала индикатора вернуть тумблер в нижнее положение. (При отсутствии сигнала тумблер остановить в верхнем положении). Переключатель с дискретностью 200мкс повернуть по часовой стрелке до момента появления сигнала. При появлении сигнала переключатель повернуть по часовой стрелке на одно положение. Стрелка индикатора при этом должна повернуться в положение «0». Переключатель с дискретностью отсчета 20мкс повернуть по часовой стрелке до момента появления сигнала. При его появлении ручку переключателя повернуть против часовой стрелки на одно положение. Стрелка индикатора при этом должна стать в положение «0». Переключатель с дискретностью отсчета 2 мкс повернуть по часовой стрелке до момента появления сигнала. При появлении индикации ручку переключателя повернуть против часовой стрелки на одно положение, при этом сигнал индикатора должен отсутствовать.

Ручку «коррекции» повернуть по часовой стрелке до появления сигнала, что соответствует дискретности отсчета 0,1 мкс. Снять отсчет показаний переключателей дискретного отсчета и «коррекции».

После работы все ручки и тумблеры вернуть в нулевые положения Значение времени прохождения ультразвуковой волны через массив образца подставляем в формулу скорости, рассчитываем ее и по графику зависимости V-R_сж определяем прочность образца.

Все результаты заносим в табл. 3.3.

ПОРЯДОК РАБОТЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО

ПРИБОРА УК-10 ИМ

Установить искательные головки через слой контактной смазки соответственно на образце материала. На экране электронно-лучевой трубки І (ЭТЛ) должно появиться изображение принятого сигнала УЗК в виде волны.

Вращая влево от себя ручку регулировки усиления сигнала 2, перемещаем начало волны до её совмещения с началом линии развертки. На цифропоказывающей панели 3 – «режим отсчета» фиксируем время прохождения ультразвуковой волны через массив образца в МКС. Значение времени подставляем в формулу скорости и по тарировочной кривой определяем прочность образца.

ТЕМЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изучение зависимости водопоглощения материала от вида и характера пористости.

Изучение зависимости прочности материалов от вида и характера пористости.

Изучение зависимости средней плотности материалов от их пористости.

Исследование зависимости для эталонного молотка на материалах различной плотности.

Исследование зависимости на материалах различной плотности, прочности, при различной температуре.

Виды испытания стали

Чтобы строительные и иные металлоконструкции смогли прослужить ожидаемый срок, используемая при их изготовлении сталь должна соответствовать основным параметрам. Выяснить устойчивость металла к различным нагрузкам, в том числе на растяжение и сжатие, можно в специализированных лабораториях, обычно функционирующих на базе производства по выпуску металлопроката.

Для оценки механических свойств стали используют нагрузки двух типов:

• статические — длительное, но практически неизменяемое влияние;
• динамические — оказывается кратковременное усиленное воздействие.

Статическое испытание на растяжение

Для исследования используют испытательную машину на базе ручного или гидравлического привода. Во втором случае удастся достичь более мощного воздействия.

Механические статические испытания на растяжение проводятся по ГОСТу 1497-84. Они подразумевают создание однородного напряженного состояния по сечению образца. Для таких испытаний обычно используют круглые или плоские заготовки, оснащенные рабочей частью и головкой для захвата в разрывной машине.

Растяжение создает в испытуемом образце напряжение, в результате чего он удлиняется. В момент, когда напряжение превышает показатель прочности, металл разрывается. Исследование завершается составлением диаграммы растяжения. По итогам испытания удается определить различные показатели, в том числе прочность, пластичность (относительное удлинение, сужение, модуль) и др.

О характеристиках прочности

В рамках испытания на растяжение определяется прочность металла (также называется разрывной прочностью) — свойство стали выдерживать нагрузку, прилагаемую из внешней среды (при этом данный процесс не сопровождается ее разрушением). Эта характеристика показывает максимальное растягивающее напряжение, которое можно применять для нагрузки образца. Показатель прочности определяется по:

• Пределу пропорциональности (бп) — показывает напряжение, выше которого прекращает действовать закон Гука. Наклеп металла при холодном деформировании сопровождается возрастанием бп в 1,8 раз.
• Пределу текучести (бт) — при постоянном напряжении происходит стабильное повышение деформации. На диаграмме может не определяться горизонтальная прямая. В таком случае речь идет о назначении условного бт, при котором остаточная деформация равна 0,2%.
• Пределу текучести (временное сопротивление разрыву, бв) — показывает, при каком максимальном усилии образец не разрушается. В случае превышения этого показателя происходит разрыв стержня.
• Напряжению разрыва (бр) — может быть условным и истинным.

Что показывает характеристика упругости

Упругим материалом называют такой, который после внешнего воздействия способен восстановить свою изначальную форму. Внутри стального изделия по всей площади поперечного сечения наблюдается равномерное распределение внутренних сил. Они имеют свою интенсивность, называемую внутренним напряжением.

Предел упругости (бу) соответствует нагрузке, при которой остаточное удлинение равно 0,05%. На диаграмме можно наблюдать рядом расположенные значения бу и бп, по этой причине бу определяют при исследовании тонких материалов.

Характеристики пластичности

Если взять показатель начальной и конечной длины растягиваемого образца, то разница между ними покажет, насколько металл способен подвергаться пластической деформации до момента разрушения (относительное удлинение). Металлы с одинаковым пределом прочности могут иметь разные значения относительного удлинения. К примеру, ковковый чугун КЧ50-5 имеет показатель относительного удлинения не выше 5%. В то же время у конструкционной стали 09Г2С он составляет 20%. При этом у обоих материалов предел прочности равен 490 МПа. Для определения остаточного удлинения используют формулу Δ=(L1-L0)*100% / L0 (с помощью L0 обозначают исходную длину металла, L1 — данные после завершения исследований).

Также пластичность характеризуют по относительному остаточному сужению, которое измеряется по формуле Ψ=(А0-Аш)*100% / А0, где под А0 подразумевается площадь сечения стержня до испытаний, Аш – площадь сечения шейки.

О нормативных образцах для проведения статических исследований на растяжение

Образцы для испытаний должны иметь круглое или прямоугольное сечение. Основной тип образца — цилиндрический с рабочим диаметром 10 мм (могут использоваться и другие диаметры). При выборе плоских изделий их толщина может составлять 0,5 мм и выше.

К установке образцов для растяжения предъявляют требования:

• при закреплении изделий в захватах следует исключить риск проскальзывания;
• нельзя допускать смятия опорных поверхностей, деформации головок и разрушение образца в местах перехода от рабочей части к головкам;
• разметка расчетной длины выполняется с точностью до 1%.

Измеряют образцы до испытания не менее чем в трех местах (в середине и по краям рабочей части). Для вычисления площади поперечного сечения используют наименьшие размеры. Во время процедуры соблюдают надежное центрирование образца в захватах испытательной машины и плавность нагрузок. Подвижный захват должен перемещаться со скоростью, не превышающей 0,1 мм/ при испытании до предела текучести и за пределом текучести не менее 0,4 мм/с длины расчетной части образца (не исключается выбор и других скоростей).

Определяя предел упругости и текучести с помощью тензометров, следят за делениями шкалы приборов, которые не должна превышать 0,002 и 0,02 мм соответственно. Точность отсчета нагрузки при испытании — одно наименьшее деление шкалы силоизмерителя. Порядок проведения исследовательских процедур и расчет показателей механических свойств определяет ГОСТ 1497—84.

Особенности динамических исследований

Распространенной разновидностью динамических испытаний является исследование на изгиб, которое проводится в соответствии с ГОСТом 9454-78. Для него подбирают образцы не согласно закону подобия, а с размерами и формой надреза для конкретного норматива. Основному образцу придают квадратное сечение 10Ч10 мм и надрезы:

Классы прочности шпилек

Болты, винты и шпильки производятся из различных углеродистых сталей — разным сталям соответствуют разные классы прочности. Хотя, иногда можно из одной и той же стали изготовить болты различных классов прочности, используя при этом разные способы обработки заготовки или дополнительную термическую обработку — закалку.
Например, из Стали 35 можно изготовить болты нескольких классов прочности: класса прочности 5.6 — если изготовить болты методом точения на токарном и фрезерном станке: классов 6.6 и 6.8 — получатся при изготовлении болтов методом объёмной штамповки на высадочном прессе; и класса 8.8 — если полученные перечисленными способами болты подвергнуть термической обработке — закалке.

Класс прочности для болтов, винтов и шпилек из углеродистых сталей обозначают двумя цифрами через точку. Утверждённый прочностной ряд для болтов, винтов и шпилек из углеродистых сталей содержит 11 классов прочности:

3.6; 4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.6; 6.8; 8.8; 9.8; 10.9; 12.9

Первая цифра маркировки класса прочности болта обозначает 0,01 часть номинального временного сопротивления — это предел прочности на растяжение — измеряется в МПа (мегапаскалях) или Н/мм² (ньютонах на миллиметр квадратный). Также первая цифра маркировки класса прочности обозначает ≈0,1 часть номинального временного сопротивления, если Вы измеряете предел прочности на растяжение в кгс/мм² (килограммах-силах на миллиметр квадратный).

Пример: Шпилька класса прочности 5.8: Определяем предел прочности на растяжение

5/0,01=500 МПа (или 500 Н/мм²; или ≈50 кгс/мм²)

Вторая цифра обозначает 0,1 часть отношения предела текучести (напряжения, при котором уже начинается пластическая деформация) к номинальному временному сопротивлению (пределу прочности на растяжение) — таким образом для шпильки класса прочности 10.9 второе число означает, что у шпильки, относящейся к этому классу, минимальный предел текучести будет равен 90% от значения предела прочности на растяжение, то есть будет равен: (10/0,01)×(9×0,1)=1000×0,9=900 МПа (или Н/мм²; или ≈90 кгс/мм²)

Пример: Шпилька класса прочности 5.8: Определяем предел текучести

500х0,8=400 МПа (или 400 Н/мм²; или ≈40 кгс/мм²)

Значение предела текучести — это максимально допустимая рабочая нагрузка болта, винта или шпильки, при превышении которой происходит невосстанавливаемая деформация. При расчётах нагрузки на болты, винты или шпильки используют 1/2 или 1/3 от предела текучести, то есть, с двукратным или трёхкратным запасом прочности соответственно.

В таблице приведены самые распространённые в метизном производстве и рекомендованные марки сталей, но в различных особых случаях также применяются и другие стали, когда их применение продиктовано дополнительными требованиями к крепежу.