Когда материал растягивают в разные стороны, возникает стресс растяжения, и в результате материал разрывается. Предельное значение силы, при которой происходит разрыв, называется пределом прочности на растяжение (прочность на разрыв).

Предел прочности на растяжение измеряют у таких материалов, как сплавы, композиты, керамические материалы и пластики. Он измеряется в МПа, это сила, приложенная к площади, т.е. кг/см 2 . Чем выше это значение, тем материал более устойчив к усилиям на растяжение.

Во время испытания перед разрушением материал проходит «стадию колокола» (см. рис. 2).

Это испытание помогает понять прочность материала.

3. Модуль эластичности (ГПа) / Модуль Е / Модуль Юнга / Модуль гибкости.

Свойства твердости и упругости материалов измеряются в ГПа.

Модуль эластичности отражает сопротивление материала внешней нагрузке, в данном случае на изгиб. С материалом не происходит необратимой деформации, после устранения внешней нагрузки он возвращается в исходное состояние. То есть в данном случае, в отличие от других испытаний, материал не разрушается.

Трех-точечный тест на изгиб. Брусок материала устанавливается на 2 опоры и прикладывают к нему силу F (рис. 7 и 8).

Нагрузка увеличивается только до того момента, когда материал начинает изгибаться (см. рис. 9). Чем выше это значение, тем материал более жесткий.

Рис. 8	Рис. 9

Жесткость важна при выборе реставрационного материала, поскольку совсем не нужно, чтобы материал существенно отклонялся под воздействием нагрузки. Типичный пример, это внутрипульпарные штифты. Его жесткость должна соответствовать жесткости дентина.

Для эластичных оттискных материалов желательны, напротив, малые значения, поскольку в этом случае оттиск будет легко извлекаться изо рта пациента.

Прочность на изгиб (МПа)

Для ее измерения также используется трех-точечный тест. В данном случае нагрузка прикладывается, пока материал не разрушится (см. Рис. 11).

Прочность на изгиб – это способность материала быть устойчивым к переломам при нагрузке. Она измеряется в МПа, мегапаскалях.

Рис. 10	Рис. 11

Данное испытание напоминает нагрузку на мост. Высокое значение прочности на изгиб означает, что мост обладает высокой устойчивостью к перелому.

5. Предел усталости – циклические нагрузки

Сначала проводится испытание на прочность на изгиб для определения предельной прочности материала (МПа). Затем берется нагрузка ниже, чем вышеуказанный предел прочности. В той же конфигурации трех-точечной нагрузки последовательно циклически нагружается материал. Затем отмечают, сколько циклов выдерживает материал до поломки.

Данный тест имитирует жевательные нагрузки на мост. Чем больше циклов выдерживает материал, тем лучше.

Рис. 12	Рис. 13
Рис. 14	Рис. 15

Усталость материалов. При воздействии большого числа циклических нагрузок на протез может наступить разрушение материала. Разрушающее напряжение (предел усталости) оказывается при этом значительно ниже предела прочности.
Причины усталости до сих пор не вполне ясны. Микроскопическое исследование образцов, подвергнутых многократной переменной нагрузке, показало, что в зернах материала после некоторого числа нагружений появляется ряд черточек, свидетельствующих о наличии сдвигов частей зерен. Под дальнейшим действием нагрузки черточки превращаются в тончайшие трещинки, которые сливаются в трещину. Около нее и сосредоточивается дальнейшее разрушение.
Трещина с каждым нагружением растет, и, когда поперечное сечение достаточно уменьшится, наступает разрушение. Образовавшаяся трещина действует подобно выточке, т. е. вызывает концентрацию напряжения и снижает сопротивление. Момент разрушения приближается незаметно. Конструкция, которой грозит разрушение, работает безупречно, но наконец внезапно происходит разрушение, причем при незначительной нагрузке.

Очень часто причинами усталостных изломов служат резкие изменения формы деталей (резкие переходы по толщине, надрезы, трещины на поверхности, поры и т. д.), вызывающие концентрацию напряжения. Так как усталостные трещины появляются вокруг этих участков, то борьба с усталостью, помимо подбора более прочных материалов, заключается в упрочнении его поверхности. Так, для металлов это достигается химико-термической обработкой, механической обработкой (шлифовка, полировка), закалкой токами высокой частоты. Эти меры позволяют повысить предел усталости на несколько десятков процентов. В отношении пластмасс большое значение имеет также правильный режим полимеризации, не вызывающий образования пор в протезах.

Предел прочности некоторых стоматологических материалов:

Упругость. Способность материала изменять форму под действием внешней нагрузки и восстанавливать форму после снятия этой нагрузки называется упругостью. Характерным примером упругих свойств материала может служить изгиб стальной проволоки, растяжение металлической пружины, сдавления протеза из полиамидной пластмассы, куска гидроколоидной массы. После удаления силы все эти тела приобретают свою форму. Но возврат к прежней форме может произойти лишь в случае, если приложенная сила не превысила определенной величины, называемой пределом упругости. Пределом упругости называют максимальную нагрузку, при которой материал после деформации и снятия нагрузки полностью восстанавливает свою форму и размеры. Если нагрузка превысит предел упругости, то после снятия ее материал полностью не восстановится до первоначального состояния, появится остаточная деформация.
Материалы, применяемые для изготовления зубных протезов и аппаратов, обладают различной упругостью. Некоторые конструкции должны обязательно обладать упругими свойствами, так как они постоянно находятся под силовым воздействием, а появление остаточной деформации делает их непригодными (кламмеры, дуги, базисы протезов и т. д.).
В других случаях проявление упругих свойств мешает проведению некоторых технологических этапов. Так, например, штамповка коронок, возможна, если металл будет находиться в состоянии наименьшей упругости.
Металлы могут по-разному проявлять упругость в зависимости от их механической и термической обработки. Сталь увеличивает упругость при обработке ее молотком или при протягивании, а также при закаливании.
Все материалы обладают упругими свойствами в определенных температурных интервалах. Для металлов эти интервалы достигают сотен градусов, у пластмасс они значительно меньше. Для базисных пластмасс они измеряются десятками градусов.
Упругость материала определяют на образцах, которые укрепляют в приборах типа гидравлического
пресса и подвергают нагружению. Измеряют изменение длины образца при максимальной нагрузке, не вызывающей остаточной деформации, после снятия которой образец принимает первоначальную длину. Расчет ведется на 1 мм 2 .

Понятно, что при определении нагрузок, допускаемых на различные участки протезов, знание предела упругости материала, из которого он изготовлен, является совершенно необходимым, так как нагрузка выше предела упругости приводит к изменению формы протеза, а следовательно, и к невозможности пользования им.
Если продолжать нагружать образец, то он постепенно начинает удлиняться, а его поперечное сечение становится меньше, причем по снятии нагрузки образец не возвращается к прежним размерам. Чем больше образец способен удлиняться, а его поперечное сечение сужаться, тем пластичнее материал.
В противоположность пластичным материалам хрупкие материалы под действием нагрузки разрушаются без изменения формы. Хрупкость, как правило, - свойство отрицательное, поэтому в ортопедической стоматологии чаще всего употребляют не только прочные и упругие материалы, но и в определенной мере пластичные.

Пластичность. Способность материала, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузок и сохранять эту форму после того, как нагрузка перестает действовать. Этим свойством обладают многие оттискные массы, воск, гипс, металлы.
Все пластичные материалы, таким образом, имеют резко выраженную остаточную деформацию. Пластичность необходима оттискным материалам, металлам, используемым для получения изделий методом штамповки, пластмассам, из которых формируются базисы протезов, пломбировочным материалам.
Иногда материал выбирают лишь благодаря его свойству приобретать пластичное состояние. Это относится в первую очередь к оттискным материалам, пластмассам. Для получения максимальной пластичности металла его подвергают особой термической обработке - отжигу, воск и оттискные массы подогревают, гипс смешивают с водой и т. д. Обычно обработка, повышающая пластичность, снижает сопротивление деформированию и наоборот.
Вязкость. Способность материала под действием растягивающих нагрузок вытягиваться. Этот вид деформации характеризуется тем, что исследуемый образец увеличивается по размерам в направлении приложенной силы (обычно по длине) и суживается в поперечном сечении.
Некоторые материалы обладают большой вязкостью (золото, серебро, железо и др.). Другие этой способностью не обладают (чугун, фарфор и др.). Они относятся к группе хрупких материалов.
Таким образом, хрупкость является свойством, противоположным вязкости.
При испытании различных материалов, в частности пластмасс, широко используют методику определения ударной вязкости. Удельной ударной вязкостью называется работа, затраченная на разрушение образца, деленная на площадь его поперечного сечения. Определение ударной вязкости производится на маятниковом копре MK-0,5-1. Прибор состоит из массивного основания, на котором смонтировано устройство маятникового типа. Маятник со сменным грузом (10-15-30 кг), укрепленный на оси станины, закрепляют на определенной высоте с помощью защепки. По освобождении зажима маятник свободно падает и производит удар по образцу. Чем прочнее образец, тем на меньшую высоту поднимается маятник после удара, т. е. тем большая работа была затрачена на ударное разрушение образца. Чем меньше ударная вязкость, тем более хрупким является материал.

Приведенные механические свойства материалов позволяют определить жесткость материалов. Способность элементов конструкции сопротивляться деформациям под действием внешних сил называется жесткостью.
Следует помнить, что при расчетах необходимых размеров деталей конструкции при предполагаемой нагрузке всегда придерживаются правила, что материал не должен не только разрушаться, но и деформироваться. Поэтому при расчетах всегда исходят из четырехкратного запаса прочности, т. е. если предел прочности углеродистой стали равен 90 кг/мм2, то допустимая нагрузка должна быть 22-23 кг/мм2. Если же рабочая нагрузка превышает эти цифры, то следует увеличивать размеры данной детали. Так, например, если нам известно, что сила, приложенная к протезу в момент разжевывания, равна 60 кг, а предел прочности пластмассы составляет 1000 кг/см2, то пластинка должна иметь в самой наименьшей части ширину, равную 2,5 см, при толщине 1 мм.

Литература:

1. Попков В.А. Стоматологическое материаловедение: Учебное пособие/ В.А. Попков. О.В.Нестерова, В.Ю.Решетняк, И.Н.Аверцева.//М. – МЕДпресс-информ. – 2009. – 400с.

2. Крег Р. Стоматологические материалы: свойства и применение/ Р.Крег, Дж.Пауэрс, Дж.Ватага// - 2005. – 304с.

3. http://article-factory.ru/medicina/zubotehnicheskoe-materialovedenie/139-mehanicheskie-svojstva.html

4. www.infodent.ru

Похожая информация.

Классификация стали

Сталь - деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и другими элементами. Это важнейший материал, который применяется в большинстве отраслей промышленности. Существует большое число марок сталей, различающихся по структуре, химическому составу, механическим и физическим свойствам. Посмотреть основные виды продукции металлопроката и ознакомиться с ценами можно .

Основные характеристики стали:

• плотность
• модуль упругости и модуль сдвига
• коэффициент линейного расширения
• и другие

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные . Углеродистая сталь наряду с железом и углеродом содержит марганец (0,1-1,0%), кремний (до 0,4%).Сталь содержит также вредные примеси (фосфор, серу, газы - несвязанный азот и кислород). Фосфор при низких температурах придает ей хрупкость (хладноломкость), а при нагревании уменьшает пластичность. Сера приводит к образованию мелких трещин при высоких температурах (красноломкость).Чтобы придать стали какие-либо специальные свойста (коррозионной устойчивости, электрические, механические, магнитные, и т.д.), в нее вводят легирующие элементы. Обычно это металлы: алюминий, никель, хром, молибден, и др. Такие стали называют легированными.Свойства стали можно изменять путем применения различных видов обработки: термической (закалка, отжиг), химико-термической (цементизация, азотирование), термо-механической (прокатка, ковка). При обработке для получения необходимой структуры используют свойство полиморфизма, присущее стали так же, как и их основе - железу. Полиморфизм - способность кристаллической решетки менять свое строение при нагреве и охлаждении. Взаимодействие углерода с двумя модификациями (видоизменениями) железа - α и γ - приводит к образованию твердых растворов. Избыточный углерод, не растворяющийся в α-железе, образует с ним химическое соединение - цементит Fe 3 C. При закалке стали образуется метастабильная фаза - мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Сталь при этом теряет пластичность и приобретает высокую твердость. Сочетая закалку с последующим нагревом (отпуском), можно добиться оптимального сочетания твердости и пластичности.По назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов. Инструментальные стали служат для изготовления резцов, штампов и других режущих, ударно-штамповых и измерительных инструментов. К сталям с особыми свойствами относятся электротехнические, нержавеющие, кислотостойкие и др.По способу изготовления сталь бывает мартеновской и кислородно-конверторной (кипящей, спокойной и полуспокойной). Кипящую сталь сразу разливают из ковша в изложницы, она содержит значительное количество растворенных газов. Спокойная сталь - это сталь, выдержанная некоторое время в ковшах вместе с раскислителями (кремний, марганец, алюминий), которые соединяясь с растворенным кислородом, превращаются в оксиды и выплывают на поверхность массы стали. Такая сталь имеет лучший состав и более однородную структуру, но дороже кипящей на 10-15%. Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей.В современной металлургии сталь выплавляют в основном из чугуна и стального лома. Основные виды агрегатов для ее выплавки: мартеновская печь, кислородный конвертер, электропечи. Наиболее прогрессивным в наши дни считается кислородно-конвертерный способ производства стали. В то же время развиваются новые, перспективные способы ее получения: прямое восстановление стали из руды, электролиз, электрошлаковый переплав и т.д. При выплавке стали в сталеплавильную печь загружают чугун, добавляя к нему металлические отходы и железный лом, содержащий оксиды железа, которые служат источником кислорода. Выплавку ведут при возможно более высоких температурах, чтобы ускорить расплавление твердых исходных материалов. При этом железо, содержащееся в чугуне, частично окисляется:2Fe + O 2 = 2FeO + QОбразующийся оксид железа (II) FeO, перемешиваясь с расплавом, окисляет, кремний, марганец, фосфор и углерод, входящие в состав чугуна:Si +2FeO = SiO 2 + 2 Fe + QMn + FeO = MnO + Fe + Q2P + 5FeO = P 2 O 5 + 5Fe + QC + FeO = CO + Fe - QЧтобы довести до конца окислительные реакции в расплаве, добавляют так называемые раскислители - ферромарганец, ферросилиций, алюминий.Марки стали

Марки стали углеродистой

Углеродистая сталь обыкновенного качества в зависимости от назначения подразделяется на три группы:

• группа А - поставляемая по механическим свойствам;
• группа Б - поставляемая по химическому составу;
• группа В - поставляемая по механическим свойствам и химическому составу.

В зависимости от нормируемых показателей стали группы А подразделяются на три категории: А1, А2, А3; стали группы Б на две категории: Б1 и Б2; стали группы В на шесть категорий: В1, В2, В3, В4, В5, В6. Для стали группы А установлены марки Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. Для стали группы Б марки БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6. Сталь группы В изготовляется мартеновским и конвертерным способом. Для нее установлены марки ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 - условный номер марки стали в зависимости от химического состава и механических свойств. С повышением номера стали возрастают пределы прочности (σ в) и текучести (σ т) и уменьшается относительное удлинение (δ 5).Марку стали Ст0 присваивают стали, отбракованной по каким-либо признакам. Эту сталь используют в неответственных конструкциях.В ответственных конструкциях применяют сталь Ст3сп.Буквы Б и В указывают на группу стали, группа А в обозначении не указывается.Если сталь относится к кипящей, ставится индекс "кп", если к полустойкой - "пс", к спокойной - "сп".Качественные углеродистые конструкционные стали применяют для изготовления ответственных сварных конструкций. Качественные стали по ГОСТ 1050-74 маркируются двузначными цифрами, обзначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, марки 10, 15, 20 и т.д. означают, что сталь содержит в среднем 0,10%, 0,15%, 0,2% углерода.Сталь по ГОСТ 1050-74 изготовляют двух групп: группа I - с нормальным содержанием марганца (0,25-0,8%), группа II - с повышенным содержанием марганца (0,7-1,2%). При повышенном содержании марганца в обозначение дополнительно вводится буква Г, указывающая, что сталь имеет повышенное содержание марганца.Марки стали легированной Легированные стали кроме обычных примесей содержат элементы, специально вводимые в определенных количествах для обеспечения требуемых свойств. Эти элементы называются лигирующими. Лигированные стали подразделяются в зависимости от содержания лигирующих элементов на низколегированные (2,5% легирующих элементов), среднелегированные (от 2,5 до 10% и высоколегированные (свыше 10%).Лигирующие добавки повышают прочность, коррозийную стойкость стали, снижают опасность хрупкого разрушения. В качестве легирующих добавок применяют хром, никель, медь, азот (в химически связанном состоянии), ванадий и др.Легированные стали маркируются цифрами и буквами, указывающими примерный состав стали. Буква показывает, какой легирующий элемент входит в состав стали (Г - марганец, С - кремний, Х -хром, Н - никель, Д - медь, А - азот, Ф - ванадий), а стоящие за ней цифры - среднее содержание элемента в процентах. Если элемента содержится менее 1%, то цифры за буквой не ставятся. Первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.Нержавеющая сталь. Свойства. Химический состав Нержавеющая сталь - легированная сталь, устойчивая к коррозии на воздухе, в воде, а также в некоторых агрессивных средах. Наиболее распространены хромоникелевая (18% Cr b 9%Ni) и хромистая (13-27% Cr) нержавеющая сталь, часто с добавлением Mn, Ti и других элементов.Добавка хрома повышает стойкость стали к окислению и коррозии. Такая сталь сохраняет прочность при высоких температурах. Хром входит также в состав износостойких сталей, из которых делают инструменты, шарикоподшипники, пружины.
Примерный химический состав нержавеющей стали (в %) Дамасская и булатная сталь. Дамасская сталь - первоначально то же, что и булат; позднее - сталь, полученная кузнечной сваркой сплетенных в жгут стальных полос или проволоки с различным содержанием углерода. Название получила от города Дамасск (Сирия), где производство этой стали было развито в средние века и, отчасти, в новое время.Булатная сталь (булат) - литая углеродистая сталь со своеобразной структурой и узорчатой проверхностью, обладающая высокой твердостью и упругостью. Из булатной стали изготовляли холодное оружие исключительной стойкости и остроты. Булатная сталь упоминается еще Аристотелем. Секрет изготовления булатной стали, утерянный в средние века, раскрыл в XIX веке П.П.Аносов. Опираясь на науку, он определил роль углерода как элемента, влияющего на качество стали, а также изучил значение ряда других элементов. Выяснив важнейшие условия образования лучшего сорта углеродистой стали - булата, Аносов разработал технологию его выплавки и обработки (Аносов П.П. О булатах. Горный журнал, 1841, № 2, с.157-318).Плотность стали, удельный вес стали и другие характеристики стали Плотность стали - (7,7-7,9)*10 3 кг /м 3 ;Удельный вес стали - (7,7-7,9) г /cм 3 ;Удельная теплоемкость стали при 20°C - 0,11 кал/град;Температура плавления стали - 1300-1400°C ;Удельная теплоемкость плавления стали - 49 кал/град;Коэффициент теплопроводности стали - 39ккал/м*час*град;Коэффициент линейного расширения стали (при температуре около 20°C) : сталь 3 (марка 20) - 11,9 (1/град); сталь нержавеющая - 11,0 (1/град).Предел прочности стали при растяжении : сталь для конструкций - 38-42 (кГ/мм 2); сталь кремнехромомарганцовистая - 155 (кГ/мм 2); сталь машиноподелочная (углеродистая) - 32-80 (кГ/мм 2); сталь рельсовая - 70-80 (кГ/мм 2);Плотность стали, удельный вес сталиПлотность стали - (7,7-7,9)*10 3 кг /м 3 (приблизительно 7,8*10 3 кг /м 3);Плотность вещества (в нашем случае стали) есть отношение массы тела к его объему (другими словами плотность равна массе единицы объема данного вещества):d=m/V, где m и V - масса и объем тела.За единицу плотности принимают плотность такого вещества, единица объема которого имеет массу, равную единице:
в системе СИ это 1 кг /м 3 , в системе СГС - 1 г /см 3 , в системе МКСС - 1 тем /м 3 . Эти единицы связаны между собой соотношением:1 кг /м 3 =0,001 г /см 3 =0,102 тем /м 3 .Удельный вес стали - (7,7-7,9) г /cм 3 (приблизительно 7,8 г /cм 3);Удельный вес вещества (в нашем случае стали) есть отношение силы тяжести Р однородного тела из данного вещества (в нашем случае стали) к объему тела. Если обозначить удельный вес буквой γ , то:γ=P/V .С другой стороны, удельный вес можно рассматривать, как силу тяжести единицы объема данного вещества (в нашем случае стали). Удельный вес и плотность связаны таким же соотношением, как вес и масса тела:γ/d=P/m=g.За единицу удельного веса принимают: в системе СИ - 1 н /м 3 , в системе СГС - 1 дн /см 3 , в системе МКСС - 1 кГ/м 3 . Эти единицы связаны между собой соотношением:1 н /м 3 =0,0001 дн /см 3 =0,102 кГ/м 3 .Иногда используют внесистемную единицу 1 Г/см 3 .Так как масса вещества, выраженная в г , равна его весу, выраженному в Г, то удельный вес вещества (в нашем случае стали), выраженный в этих единицах, численно равен плотности этого вещества, выраженной в системе СГС.Аналогичное численное равенство существует и между плотностью в системе СИ и удельным весом в системе МКСС.

Плотность стали Модули упругости стали и коэффициент Пуассона
Величины допускаемых напряжений стали (кГ/мм 2) Свойства некоторых электротехнических сталей Нормируемый химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-71

Марка стали	Содержание элементов, %
	C	Mn	Si	P	S
				не более
Ст0	Не более 0,23	-	-	0,07	0,06
Ст2пс Ст2сп	0,09...0,15	0,25...0,50	0,05...0,07 0,12...0,30	0,04	0,05
Ст3кп Ст3пс Ст3сп Ст3Гпс	0,14...0,22	0,30...0,60 0,40...0,65 0,40...0,65 0,80...1,10	не более 0,07 0,05...0,17 0,12...0,30 не более 0,15	0,04	0,05
Ст4кп Ст4пс Ст4сп	0,18...0,27	0,40...0,70	не более 0,07 0,05...0,17 0,12...0,30	0,04	0,05
Ст5пс Ст5сп	0,28...0,37	0,50...0,80	0,05...0,17 0,12...0,35	0,04	0,05
Ст5Гпс	0,22...0,30	0,80...1,20	не более 0,15	0,04	0,05

Нормируемые показатели механических свойств углеродистых сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-71

Марка стали	Предел прочности (временное сопротивление) σ в, МПа	Предел текучести σ т, МПа			Относительное удлинение коротких образцов δ 5 , %		Изгиб на 180° при диаметре оправки d
		толщина образца s, мм
		до 20	20...40	40...100	до 20	20...40	40...100	до 20
Ст0	310	-	-	-	23	22	20	d=2s
ВСт2пс ВСт2сп	340...440	230	220	210	32	31	29	d=0 (без оправки)
ВСт3кп ВСт3пс ВСт3сп ВСт3Гпс	370...470 380...490 380...500	240 250 250	230 240 240	220 230 230	27 26 26	26 25 25	24 23 23	d=0,5s
ВСт4кп ВСт4пс ВСт4Гсп	410...520 420...540	260 270	250 260	240 250	25 24	24 23	22 21	d=2s
ВСт5пс ВСт5сп ВСт5Гпс	500...640 460...600	290 290	280 280	270 270	20 20	19 19	17 17	d=3s

Примечания: 1. Для листовой и фасонной стали толщиной s>=20 мм значение предела текучести допускается на 10 МПа ниже по сравнению с указанным. 2. При s<20 мм диаметр оправки увеличивается на толщину образца.

Предел прочности

Определённая пороговая величина для конкретного материала, превышение которой приведёт к разрушению объекта под действием механического напряжения. Основные виды пределов прочности: статический, динамический, на сжатие и на растяжение. Например, предел прочности на растяжение - это граничное значение постоянного (статический предел) или переменного (динамический предел) механического напряжения, превышение которого разорвет (или неприемлемо деформирует) изделие. Единица измерения - Паскаль [Па], Н/мм ² = [МПа].

Предел текучести (σ т)

Величина механического напряжения, при которой деформация продолжает увеличиваться без увеличения нагрузки; служит для расчётов допустимых напряжений пластичных материалов.

После перехода предела текучести в структуре металла наблюдаются необратимые изменения: кристаллическая решетка перестраивается, появляются значительные пластические деформации. Вместе с тем происходит самоупрочнение металла и после площадки текучести деформация возрастает при увеличении растягивающей силы.

Нередко этот параметр определяют как «напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация» , таким образом, отождествляя пределы текучести и упругости. Однако следует понимать, что это два разных параметра. Значения предела текучести превышают предел упругости ориентировочно на 5%.

Предел выносливости или предел усталости (σ R)

Способность материала воспринимать нагрузки, вызывающие циклические напряжения. Этот прочностной параметр определяют как максимальное напряжение в цикле, при котором не происходит усталостного разрушения изделия после неопределенно большого количества циклических нагружений (базовое число циклов для стали Nb = 10 7). Коэффициент R (σ R) принимается равным коэффициенту асимметрии цикла. Поэтому предел выносливости материала в случае симметричных циклов нагружения обозначают как σ -1 , а в случае пульсационных - как σ 0 .

Отметим, что усталостные испытания изделий очень продолжительны и трудоёмки, они включают анализ больших объёмов экспериментальных данных при произвольном количестве циклов и существенном разбросе значений. Поэтому чаще всего используют специальные эмпирические формулы, связывающие предел выносливости с другими прочностными параметрами материала. Наиболее удобным параметром при этом считается предел прочности.

Для сталей предел выносливости при изгибе как правило составляет половину от предела прочности: Для высокопрочных сталей можно принять:

Для обычных сталей при кручении в условиях циклически изменяющихся напряжений можно принять:

Приведённые выше соотношения стоит применять осмотрительно, потому что они получены при конкретных режимах нагружения, т.е. при изгибе и при кручении. Однако, при испытании на растяжение-сжатие предел выносливости становится примерно на 10-20% меньше, чем при изгибе.

Предел пропорциональности (σ)

Максимальная величина напряжения для конкретного материала, при которой ещё действует закон Гука, т.е. деформация тела прямо пропорционально зависит от прикладываемой нагрузки (силы). Обратите внимание, что для множества материалов достижение (но не превышение!) предела упругости приводит к обратимым (упругим) деформациям, которые, впрочем, уже не прямо пропорциональны напряжениям. При этом такие деформации могут несколько «запаздывать» относительно роста или снижения нагрузки.

Диаграмма деформации металлического образца при растяжении в координатах удлинение (Є) - напряжение (σ).

1:Предел абсолютной упругости.

2:Предел пропорциональности.

3:Предел упругости.

Сталь выплавляют из чугуна в мартыновских печах, конвертерах и электропечах. Сталь представляет собой сплав железа с углеродом и некоторыми примесями (сера, фосфор и причие добавки). Сталь отличается от чугуна тем, что в сплаве содержится не более 1,7% углерода.

Сталь в зависимости от содержания углерода подразделяется на низкоуглеродистую, содержащую менее 0,25% углерода; среднеуглеродистую с углеродом от 0,25 до 0,6%, высокоуглеродистую, которая содержит от 0,6 до 1,7% углерода. Для арматуры железобетонных конструкций применяют в основном среднеуглеродистые стали.

В целях улучшения свойств стали в сплав дополнительно вводят легирующие добавки: никель, хром, вольфрам, ванадий, молибден, медь, алюминий, бор, титан, марганец, кремний и т. д., отчего она приобретает большую прочность и другие положительные качества. Стали с такими добавками называются легированными. Наиболее широко в строительстве применяются низко и среднелегированные стали (Ст.З, Ст.5, 18Г2С, 35ГС, 25Г2С, 30ХГ2С), в которых содержится небольшой процент легирующих добавок.

Сталь обладает способностью сопротивляться усилиям растяжения, сжатия, изгиба, удара. Рассмотрим лишь одну из них - способность стали сопротивляться усилиям растяжения, что наиболее характерно для условий работы арматурных сталей.

Прочность стали на растяжение

Прочностью стали на растяжение называется способность сопротивляться разрушению под действием внешних растягивающих сил (нагрузок). Величина растягивающего усилия испытываемого образца стали, разделенная на его площадь в любой момент до его раз­рушения, называется напряжением и измеряется в кг/см2.

Пример: напряжения в арматурном стержне диаметром d = 20 мм, который растягивается силой Р = 5000 кг, составят 1600 кг/см2. Пределом прочности стали называется самое большое напряжение, которое способен выдержать стержень (образец). Предел прочности измеряется в кг/см2. Основным методом определения прочности металла является испытание на растяжение. Результаты испытания изображают графически в виде диаграммы (смотрите рисунок). По вертикальной оси откладывают значения величин растягивающих усилий, разделенных на площадь образца, т. е. напряжений, а по горизонтальной оси откладывают значения возникающих при растяжении величин удлинений стержня в процентах от первоначальной длины его.

Из рассмотренной диаграммы о деформации (удлинение) можно установить зависимость между удлинением, называемым деформацией, и растягивающими напряжениями образца металла.

В начале испытания деформация увеличивается пропорционально напряжениям, т. е. она возрастает во столько раз, во сколько раз увеличились растягивающие напряжения. Прямая линия OA в начале диаграммы указывает на прямую пропорциональную зависимость между деформациями и напряжениями.

Если в этой начальной стадии прекратить процесс растяжения, т. е. убрать растягивающую силу, то стержень возвратится к первоначальной своей длине; как говорят, деформация на этой стадии является упругой. Участок диаграммы OA называется зоной упругих деформаций, а напряжения в точке А называются пределом пропорциональности.

Таким образом, пределом пропорциональности называется то наибольшее напряжение, при котором после снятия напряжений исчезают деформации. За точкой А удлинения начинают возрастать быстрее, чем растут напряжения, и прямая переходит в кривую АБ, что свидетельствует о нарушении пропорциональной зависимости между усилием и удлинением.

За точкой Б кривая переходит в горизонтальную прямую БВ, что соответствует такому состоянию образца, когда деформация (удлинение) образца возрастает без увеличения напряжения. Обычно в этом случае принято говорить, что сталь течет. Часть диаграммы, соответствующая горизонтальному отрезку БВ, называется площадкой текучести.

Величина напряжения, при котором начался процесс текучести (точка Б на диаграмме) называется пределом текучести (ат). По окончании процесса текучести (точка В на диаграмме) увеличение деформаций несколько замедляется и образец может воспринять большую растягивающую силу, чем при состоянии текучести. Этот процесс растяжения за пределом текучести происходит вплоть до разрыва образца (точка Г на диаграмме).

Величина напряжения, при котором произошло разрушение образца, есть предел прочности стали.

Некоторые виды стали, например холоднотянутая проволока, при растяжении не имеют ясно выраженного состояния текучести, при котором удлинения растут без увеличения напряжений. Для таких сталей определяется только предел прочности.

Предел текучести и предел прочности стали

О стали, применяемой в качестве арматуры в железобетонных конструкциях, наиболее важно знать предел текучести и предел прочности. Если начался процесс текучести, т. е. арматура получила значительные удлинения, то в бетоне возникнут недопустимо большие трещины и процесс удлинения арматуры закончится разрушением железобетонной конструкции. Если в арматуре будет достигнут предел прочности, произойдет ее разрыв и железобетонная конструкция разрушится мгновенно (хрупкое обрушение). В таблице приведены показатели механических свойств некоторых арматурных сталей. Определение прочности на растяжение и других механических свойств стали производится в заводской лаборатории на специальных разрывных машинах.

Кроме испытания на растяжение, сталь испытывают на изгиб в холодном состоянии. Для этого образец изгибают в холодном состоянии под углом в зависимости от марки стали от 45 до 180° вокруг оправки диаметром от 1 до 5 диаметров образца. После изгиба на внешней растянутой стороне образца не должно быть никаких трещин, отслоений или излома.

Степень хрупкости стали

Сопротивление удару - это свойство стали сопротивляться возникающим в процессе работы динамическим воздействиям. Испытание стали на удар позволяет узнать степень хрупкости ее, качество обработки и величину ударной вязкости, т. е. отношение работы (в кгм), затраченной на разрушение образца, к площади его поперечного сечения (в мм2) в месте излома. Ударная вязкость стали весьма важный показатель, влияющий на прочность конструкций, работающих на динамические нагрузки при значительных отрицательных температурах воздуха. В практике строительства известны случаи обрушения железобетонных балок от динамических нагрузок при температуре -20-30° С вследствие хладноломкости арматурной стали, т. е. потери способности стали к пластическим деформациям. Склонность к хладноломкости главным образом имеет сталь марки Ст. 5, особенно с повышенным содержанием углерода.
Рекомендую - При испытании на растяжение, в основном проводимом согласно нормам, гладкий стержень с зажатыми концами (рис. 3.1.1) подвергается приближенно одноосной нагрузке в соответствующей машине для испытания на растяжение (рис. 3.1.2). Под действием возрастающей силы получается диаграмма нагрузка - абсолютное удлинение или напряжение - относительное удлинение, которая характеризует прежде всего упругую область с помощью удлинения, линейно возрастающего с нагрузкой (прямую Гука) (рис. 3.1.3, а-г).

С превышением предела текучести наступает затем макроскопически пластическое удлинение, которое, наконец, в зависимости от состояния материала при появлении более или менее выраженной шейки увеличивается до разрыва. Важнейшими характеристиками, взятыми из испытаний на растяжение и имеющимися в диаграмме напряжение - удлинение, являются следующие:

В зависимости от свойств материала следует различать разные характерные формы проявления диаграмм напряжение - деформация. Хрупкий материал обнаруживает очень небольшую зону пластической деформации или в крайнем случае вообще ее не обнаруживает (см. рис. 3.1.3, i). Различные сплавы, например сплавы на медной основе с добавлением цинка или олова или сплавы на основе алюминия, демонстрируют четко выраженную зону предела текучести, т.е. происходит деформация без увеличения напряжения (см. рис. 3.1.3, в).
У нелегированной стали вследствие наличия растворенного углерода и азота в состоянии неполного отжига наблюдается верхний или нижний предел текучести, причем создается более или менее четко выраженная зона неоднородной деформации при переходе предела текучести (см. рис. 3.1.3, б). Материалы с такой формой предела текучести обнаруживают после деформации на поверхности линии текучести или полосы Людерса.
Если при пределе текучести не создается нестабильности, как это бывает у большинства металлов, то он может характеризоваться величиной остаточной деформации, т.е. отклонением от прямой Гука. Для этого вводится, например, Rр0,2-предел, т.е. такое напряжение, при котором проявляется пластическая деформация 0,2 % (см. рис. 3.1.3, а). После достижения максимальной нагрузки на диаграмме напряжение - деформация наблюдается спад напряжения. Это можно объяснить образованием шейки у образца, испытываемого на растяжение (рис. 3.1.4) и обусловленным этим уменьшением поперечного сечения.

Напряжение σ = F/S0, отнесенное к исходному поперечному сечению, вследствие образования шейки становится слишком низким по сравнению с истинным напряжением, благодаря чему в итоге получится истинная кривая упрочнения с подъемом напряжения до разрыва. Торможение пластической деформации с помощью концентрации напряжения в надрезе и таким образом создание повышенных пиков напряжения принимают во внимание при испытаниях на растяжение надрезанных образцов.

У вязких материалов предел текучести и поперечное сужение подавляются концентрацией напряжений в надрезе. Благодаря концентрации напряжений в надрезе возникает диаграмма напряжение - деформация, которая соответствует испытанию гладкого образца из хрупкого материала. Отсутствие поперечного сужения ведет у надрезанного образца из вязкого материала к кажущемуся повышению предела прочности при растяжении. Повышение напряжения в основании надреза обозначается коэффициентом αk. Этот коэффициент концентрации напряжений обозначает повышение напряжения в надрезе по сравнению с напряжением у гладкого образца (рис. 3.1.5) и определяется по формуле

У хрупкого материала это повышение напряжения ведет к уменьшению прочности на растяжение:

17.10.2019

Изготавливают пробковые панели из натурального материала. Для этого используется кора дуба (пробковый дуб произрастает на севере Африки и в некоторых районах южной...

17.10.2019

Хозяйственная деятельность человека зачастую усиливает процесс естественной эрозии почвы. Постепенно меняется рельеф, создаются каналы, меняют направление реки, кюветы...

17.10.2019

Функции этикеток могут быть разными. После наклейки на товар они становятся источником данных о производителе и продукции, используются как средство продвижения и...

17.10.2019

Специальные инструменты используются в современном строительстве для штукатурных работ. Для их применения особых умений не требуется, так как все они являются достаточно...

17.10.2019

В далеком 1984 году увидел свет первый 3D принтер. Чак Халл сделал революционное изобретение. В сфере создания таких принтеров основанная им компания и сегодня занимает...

17.10.2019

Все большее количество приспособлений и материалов появляется на строительном рынке. Трубы ППУ в последнее время стали занимать на рынке теплоизоляционных изделий одно...

17.10.2019

У человека много времени освобождается при любой автоматизации. Легче становится его жизнь. Шуруповерты были изобретены относительно недавно, а сейчас уже в продаже их...

17.10.2019

Свои истоки онлайн-казино «Вулкан Старс» берет еще в те годы, когда большинство людей даже не представляли себе виртуальные развлечения....

16.10.2019

В качестве дизайнерского решения кованые перила стали весьма популярны. С их помощью можно оформить как лестницы, так и крыльцо. Окружить себя изяществом и красотой люди...