stringtranslate.com

Предел прочности на растяжение

Два тиска прикладывают к образцу напряжение, растягивая его до тех пор, пока он не сломается. Максимальное напряжение, которое он выдерживает до разрушения, является его пределом прочности на разрыв.

Предел прочности на разрыв (также называемый UTS , предел прочности , TS , предел прочности или в обозначениях) [1] — это максимальное напряжение , которое материал может выдержать при растяжении или растяжении перед разрушением. У хрупких материалов предел прочности при растяжении близок к пределу текучести , тогда как у пластичных материалов предел прочности при растяжении может быть выше.

Предельную прочность на растяжение обычно определяют путем проведения испытания на растяжение и записи зависимости инженерного напряжения от деформации . Самая высокая точка кривой напряжения-деформации представляет собой предел прочности на разрыв и имеет единицы напряжения. Эквивалентная точка для случая сжатия вместо растяжения называется прочностью на сжатие .

Прочность на растяжение редко имеет какое-либо значение при проектировании пластичных элементов, но она важна для хрупких элементов. Они сведены в таблицу для распространенных материалов, таких как сплавы , композитные материалы , керамика , пластмассы и дерево.

Определение

Предельная прочность материала на разрыв является интенсивным свойством ; поэтому его значение не зависит от размера испытуемого образца. Однако в зависимости от материала это может зависеть от других факторов, таких как подготовка образца, наличие или отсутствие поверхностных дефектов, а также температура испытательной среды и материала.

Некоторые материалы ломаются очень резко, без пластической деформации , что называется хрупким разрушением. Другие, более пластичные, включая большинство металлов, перед разрушением испытывают некоторую пластическую деформацию и, возможно, образование шейки .

Предел прочности определяется как напряжение, которое измеряется как сила на единицу площади. Для некоторых неоднородных материалов (или для сборных компонентов) ее можно указывать просто как силу или как силу на единицу ширины. В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения является паскаль (Па) (или его кратное число, часто мегапаскаль (МПа), с использованием префикса СИ «мега» ); или, что эквивалентно паскалям, ньютонам на квадратный метр (Н/м 2 ). Обычная единица измерения в США — фунты на квадратный дюйм (фунт/дюйм 2 или фунт на квадратный дюйм). Килофунты на квадратный дюйм (килофунты на квадратный дюйм или иногда ксило-фунты на квадратный дюйм) равны 1000 фунтов на квадратный дюйм и обычно используются в Соединенных Штатах при измерении прочности на растяжение.

Пластичные материалы

Рисунок 1: «Инженерная» кривая напряжения-деформации (σ–ε), типичная для алюминия.
  1. Невероятная сила
  2. Предел текучести
  3. Пропорциональное предельное напряжение
  4. Перелом
  5. Смещение деформации (обычно 0,2%)
Рисунок 2: «Инженерная» (красная) и «истинная» (синяя) кривая напряжения-деформации, типичная для конструкционной стали .
  1. Невероятная сила
  2. Предел текучести (предел текучести)
  3. Разрыв
  4. Область деформационного упрочнения
  5. Область шейки
  1. Кажущееся напряжение ( F / A 0 )
  2. Фактическое напряжение ( F / A )

Многие материалы могут демонстрировать линейное упругое поведение , определяемое линейным соотношением напряжения и деформации , как показано на рисунке 1 до точки 3. Упругое поведение материалов часто распространяется на нелинейную область, представленную на рисунке 1 точкой 2 ( «предел текучести»), до которого деформации полностью восстанавливаются при снятии нагрузки; то есть образец, упруго нагруженный при растяжении , удлинится, но при разгрузке вернется к своей первоначальной форме и размеру. За пределами этой упругой области для пластичных материалов, таких как сталь, деформации являются пластическими . Пластически деформированный образец при разгрузке не полностью возвращается к исходным размерам и форме. Для многих применений пластическая деформация неприемлема и используется в качестве конструктивного ограничения.

После предела текучести пластичные металлы подвергаются периоду деформационного упрочнения, при котором напряжение снова увеличивается с увеличением деформации, и они начинают сужаться , поскольку площадь поперечного сечения образца уменьшается из-за пластического течения. В достаточно пластичном материале, когда образование шейки становится значительным, это вызывает разворот инженерной кривой напряжения-деформации (кривая А, рисунок 2); это связано с тем, что инженерное напряжение рассчитывается с учетом исходной площади поперечного сечения до образования шейки. Точкой разворота является максимальное напряжение на кривой инженерного напряжения-деформации, а координатой инженерного напряжения этой точки является предел прочности при растяжении, заданный точкой 1.

Предельная прочность на разрыв не используется при проектировании пластичных статических элементов, поскольку практика проектирования диктует использование предела текучести . Однако его используют для контроля качества из-за простоты тестирования. Он также используется для приблизительного определения типов материалов для неизвестных образцов. [2]

Предел прочности на разрыв является общим инженерным параметром для проектирования элементов из хрупких материалов, поскольку такие материалы не имеют предела текучести . [2]

Тестирование

Образец круглого стержня после испытания на растяжение
Образцы алюминия для испытаний на растяжение после разрушения

Обычно испытание включает в себя взятие небольшого образца с фиксированной площадью поперечного сечения, а затем его вытягивание с помощью тензометра с постоянной скоростью деформации (изменение расчетной длины, разделенной на начальную расчетную длину) до тех пор, пока образец не сломается.

При испытании некоторых металлов твердость при вдавливании линейно коррелирует с пределом прочности. Это важное соотношение позволяет проводить экономически важные неразрушающие испытания объемных поставок металла с помощью легкого, даже портативного оборудования, такого как ручные твердомеры Роквелла . [3] Эта практическая корреляция помогает обеспечению качества в металлообрабатывающей промышленности выйти далеко за рамки лабораторных и универсальных испытательных машин .

Типичная прочность на растяжение

^a Многие значения зависят от производственного процесса, чистоты или состава.
^ b Многостенные углеродные нанотрубки имеют самую высокую прочность на разрыв среди всех когда-либо измеренных материалов: одно измерение составило 63 ГПа, что все еще значительно ниже теоретического значения в 300 ГПа. [38] Первые веревки из нанотрубок (длиной 20 мм), предел прочности которых был опубликован (в 2000 году), имел прочность 3,6 ГПа. [39] Плотность зависит от метода производства, наименьшее значение составляет 0,037 или 0,55 (твердый). [40]
^ c Прочность паучьего шелка сильно различается. Это зависит от многих факторов, включая вид шелка (каждый паук может производить несколько штук для разных целей), вид, возраст шелка, температуру, влажность, скорость приложения нагрузки во время тестирования, нагрузку по длине и способ обработки шелка. собранные (принудительное шёление или натуральное прядение). [41] Значение, указанное в таблице, 1000 МПа, примерно соответствует результатам нескольких исследований с участием нескольких различных видов пауков, однако конкретные результаты сильно различаются. [42]
^ d Прочность человеческих волос зависит от этнической принадлежности и химической обработки.

Типичные свойства отожженных элементов

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Общая таблица механических свойств MMPDS» . www.stressebook.com . 6 декабря 2014 года. Архивировано из оригинала 1 декабря 2017 года . Проверено 27 апреля 2018 г.
  2. ^ ab «Свойства на растяжение». Архивировано из оригинала 16 февраля 2014 года . Проверено 20 февраля 2015 г.
  3. ^ Э. Дж. Павлина и К. Дж. Ван Тайн, «Корреляция предела текучести и предела прочности на разрыв с твердостью сталей», Журнал Materials Engineering and Performance , 17:6 (декабрь 2008 г.)
  4. ^ «MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов» . Архивировано из оригинала 15 декабря 2013 года . Проверено 20 февраля 2015 г.
  5. ^ «MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов» . Архивировано из оригинала 21 февраля 2015 года . Проверено 20 февраля 2015 г.
  6. ^ «MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов» . Архивировано из оригинала 21 февраля 2015 года . Проверено 20 февраля 2015 г.
  7. ^ «MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов» . Архивировано из оригинала 28 марта 2017 года . Проверено 20 февраля 2015 г.
  8. ^ "USStubular.com" . Архивировано из оригинала 13 июля 2009 года . Проверено 27 июня 2009 г.
  9. ^ [1] Архивировано 23 марта 2014 г. в Wayback Machine IAPD. Типичные свойства акрила.
  10. ^, строго говоря, эта цифра представляет собой прочность на изгиб (или модуль разрушения ), которая является более подходящей мерой для хрупких материалов, чем «предельная прочность».
  11. ^ https://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=eb7a78f5948d481c9493a67f0d089646
  12. ^ «Нержавеющая сталь - марка 302 (UNS S30200)» . AZoM.com . 25 февраля 2013 года . Проверено 2 февраля 2023 г.
  13. ^ «MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов» . Архивировано из оригинала 21 февраля 2015 года . Проверено 20 февраля 2015 г.
  14. ^ «MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов» . Архивировано из оригинала 21 февраля 2015 года . Проверено 20 февраля 2015 г.
  15. ^ ab «Руководство по армированному стекловолокном пластику (стекловолокну) - поставки стекловолокна Восточного побережья» . Архивировано из оригинала 16 февраля 2015 года . Проверено 20 февраля 2015 г.
  16. ^ «Свойства трубок из углеродного волокна». Архивировано из оригинала 24 февраля 2015 года . Проверено 20 февраля 2015 г.
  17. ^ «Свойства материала натриево-известкового (флоат) стекла :: MakeItFrom.com» . Архивировано из оригинала 3 июля 2011 года . Проверено 20 февраля 2015 г.
  18. ^ «Базальтовые непрерывные волокна». Архивировано из оригинала 3 ноября 2009 года . Проверено 29 декабря 2009 г.
  19. ^ "Документ свойств Toray" . Архивировано из оригинала 17 сентября 2018 года . Проверено 17 сентября 2018 г.
  20. ^ «Волосы для испытаний на растяжение». instron.us . Архивировано из оригинала 28 сентября 2017 года.
  21. ^ Агнарссон, Я; Кунтнер, М; Блэкледж, штат Калифорния (2010). «Биоразведка обнаружила самый прочный биологический материал: необыкновенный шелк гигантского речного паука-сферы». ПЛОС ОДИН . 5 (9): e11234. Бибкод : 2010PLoSO...511234A. дои : 10.1371/journal.pone.0011234 . ПМЦ 2939878 . ПМИД  20856804. 
  22. ^ Орал, Э; Кристенсен, SD; Малхи, А.С.; Ванномаэ, КК; Муратоглу, ОК (2006). «PubMed Central, Таблица 3». J Артропластика . 21 (4): 580–91. дои :10.1016/j.arth.2005.07.009. ПМК 2716092 . ПМИД  16781413. 
  23. ^ «Свойства растяжения и ползучести полиэтиленовых волокон со сверхвысокой молекулярной массой» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 28 июня 2007 года . Проверено 11 мая 2007 г.
  24. ^ «Данные о механических свойствах» . www.mse.mtu.edu . Архивировано из оригинала 3 мая 2007 года.
  25. ^ «MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов» . Архивировано из оригинала 21 февраля 2015 года . Проверено 20 февраля 2015 г.
  26. ^ «Таблица свойств материала» (PDF) . Усовершенствованный нейлон .
  27. ^ «Нейлоновые волокна». Университет Теннесси. Архивировано из оригинала 19 апреля 2015 года . Проверено 25 апреля 2015 г.
  28. ^ «Сравнение арамидов». Тейджин Арамид. Архивировано из оригинала 3 мая 2015 года.
  29. ^ «Эпоксидная смола Uhu endfest 300: прочность при изменении температуры схватывания» . Архивировано из оригинала 19 июля 2011 года.
  30. ^ "Fols.org" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 25 июля 2011 года . Проверено 1 сентября 2010 г.
  31. ^ «Какова плотность нанотрубок гидрированного нитрида бора (H-BNNT)?». space.stackexchange.com . Архивировано из оригинала 13 апреля 2017 года.
  32. ^ Данг, Чаокун; и другие. (1 января 2021 г.). «Достижение большой однородной эластичности при растяжении в микрообработанном алмазе». Наука . 371 (6524): 76–78. Бибкод : 2021Sci...371...76D. дои : 10.1126/science.abc4174. PMID  33384375. S2CID  229935085.
  33. ^ Ли, К.; и другие. (2008). «Измерение упругих свойств и внутренней прочности монослойного графена». Наука . 321 (5887): 385–8. Бибкод : 2008Sci...321..385L. дои : 10.1126/science.1157996. PMID  18635798. S2CID  206512830. Архивировано из оригинала 19 февраля 2009 года.
    • Фил Шве (28 июля 2008 г.). «Самый прочный материал в мире». Служба новостей внутренней науки . Американский институт физики. Архивировано из оригинала 25 февраля 2009 года.
  34. ^ Цао, К. (2020). «Упругое деформирование отдельно стоящего монослойного графена». Природные коммуникации . 11 (284): 284. Бибкод : 2020NatCo..11..284C. дои : 10.1038/s41467-019-14130-0 . ПМК 6962388 . ПМИД  31941941. 
  35. ^ IOP.org З. Ван, П. Чизелли и Т. Пейс, Nanotechnology 18, 455709, 2007.
  36. ^ Сюй, Вэй; Чен, Юн; Жан, Ханг; Нонг Ван, Цзянь (2016). «Высокопрочная пленка из углеродных нанотрубок для улучшения выравнивания и уплотнения». Нано-буквы . 16 (2): 946–952. Бибкод : 2016NanoL..16..946X. doi : 10.1021/acs.nanolett.5b03863. ПМИД  26757031.
  37. ^ Барбер, АХ; Лу, Д.; Пуньо, Нью-Мексико (2015). «Чрезвычайная прочность наблюдается в зубах блюдца». Журнал интерфейса Королевского общества . 12 (105): 105. doi :10.1098/rsif.2014.1326. ПМЦ 4387522 . ПМИД  25694539. 
  38. ^ Ю, Мин-Фэн; Лурье, О; Дайер, MJ; Молони, К; Келли, ТФ; Руофф, РС (2000). «Прочность и механизм разрушения многостенных углеродных нанотрубок под действием растягивающей нагрузки». Наука . 287 (5453): 637–640. Бибкод : 2000Sci...287..637Y. дои : 10.1126/science.287.5453.637. PMID  10649994. S2CID  10758240.
  39. ^ Ли, Ф.; Ченг, HM; Бай, С.; Су, Г.; Дрессельхаус, MS (2000). «Прочность на растяжение одностенных углеродных нанотрубок, измеренная непосредственно по их макроскопическим веревкам». Письма по прикладной физике . 77 (20): 3161. Бибкод : 2000ApPhL..77.3161L. дои : 10.1063/1.1324984 .
  40. ^ К.Хата. «От высокоэффективного синтеза УНТ без примесей к лесам ДУНТ, твердым веществам УНТ и суперконденсаторам» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 12 июня 2010 года.
  41. ^ Элис; и другие. «В поисках вдохновения в шелковых волокнах паука Argiope Trifasciata». ДЖОМ. Архивировано из оригинала 15 января 2009 года . Проверено 23 января 2009 г.
  42. ^ Блэкледж; и другие. (2005). «Квазистатическая и непрерывная динамическая характеристика механических свойств шелка из паутины паука черной вдовы Latrodectus hesperus». Журнал экспериментальной биологии . Компания Биологов. 208 (10): 1937–1949. дои : 10.1242/jeb.01597. PMID  15879074. S2CID  9678391. Архивировано из оригинала 1 февраля 2009 года . Проверено 23 января 2009 г.
  43. ^ AM Howatson, PG Lund и JD Todd, Engineering Tables and Data , p. 41

дальнейшее чтение