Предел прочности на растяжение
Максимальное напряжение, выдерживаемое растянутым материалом перед разрывом

Два тиска натягивают образец, растягивая его до тех пор, пока он не сломается. Максимальное напряжение, которое он выдерживает до поломки, — это его предел прочности на растяжение.

Предел прочности на растяжение (также называемый UTS , предел прочности на растяжение , TS , предел прочности или в обозначениях) [1] — это максимальное напряжение , которое может выдержать материал при растяжении или вытягивании до разрыва. В хрупких материалах предел прочности на растяжение близок к пределу текучести , тогда как в пластичных материалах предел прочности на растяжение может быть выше. Ф вт {\displaystyle F_{\text{tu}}}

Предел прочности на растяжение обычно находится путем проведения испытания на растяжение и регистрации инженерного напряжения в зависимости от деформации . Самая высокая точка кривой напряжение-деформация является пределом прочности на растяжение и имеет единицы напряжения. Эквивалентная точка для случая сжатия, а не растяжения, называется пределом прочности на сжатие .

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

Определение

Предел прочности материала на растяжение является интенсивным свойством ; поэтому его значение не зависит от размера испытываемого образца. Однако, в зависимости от материала, он 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 , в так называемом хрупком разрушении. Другие, которые более пластичны, включая большинство металлов, испытывают некоторую пластическую деформацию и возможное сужение перед разрушением.

Прочность на растяжение определяется как напряжение, которое измеряется как сила на единицу площади. Для некоторых неоднородных материалов (или для собранных компонентов) она может быть представлена ​​просто как сила или как сила на единицу ширины. В Международной системе единиц (СИ) единицей является паскаль (Па) (или кратное ему, часто мегапаскали (МПа), используя префикс СИ мега ); или, что эквивалентно паскалям, ньютоны на квадратный метр (Н/м 2 ). Обычная единица измерения в Соединенных Штатах — фунты на квадратный дюйм (lb/in 2 или psi). Килофунты на квадратный дюйм (ksi или иногда kpsi) равны 1000 psi 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. Предельная сила
  2. Предел текучести
  3. Пропорциональное предельное напряжение
  4. Перелом
  5. Смещение деформации (обычно 0,2%)
Рисунок 2: «Инженерная» (красная) и «истинная» (синяя) кривая зависимости напряжения от деформации, типичная для конструкционной стали .
  1. Кажущееся напряжение ( F / A0 )
  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 простирается в нелинейную область, представленную на рисунке 1 точкой 2 («предел текучести»), до которой деформации полностью восстанавливаются после снятия нагрузки; то есть образец, нагруженный упруго на растяжение , удлинится, но вернется к своей первоначальной форме и размеру при разгрузке. За пределами этой упругой области для пластичных материалов, таких как сталь, деформации являются пластичными . Пластически деформированный образец не возвращается полностью к своему первоначальному размеру и форме при разгрузке. Для многих приложений пластическая деформация неприемлема и используется в качестве ограничения конструкции.

После предела текучести пластичные металлы проходят период деформационного упрочнения, в котором напряжение снова увеличивается с ростом деформации, и они начинают сжиматься , поскольку площадь поперечного сечения образца уменьшается из-за пластического течения. В достаточно пластичном материале, когда сжимание становится существенным, оно вызывает инверсию инженерной кривой напряжения-деформации (кривая A, рисунок 2); это происходит потому, что инженерное напряжение рассчитывается, предполагая исходную площадь поперечного сечения до сжимания. Точка инверсии является максимальным напряжением на инженерной кривой напряжения-деформации, а координата инженерного напряжения этой точки является пределом прочности на растяжение, заданным точкой 1.

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

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

Тестирование

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

Обычно испытание заключается в том, что берут небольшой образец с фиксированной площадью поперечного сечения, а затем растягивают его с помощью тензометра с постоянной скоростью деформации (изменение базовой длины, деленное на начальную базовую длину) до тех пор, пока образец не разорвется.

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

Типичные значения прочности на растяжение

Типичные значения прочности на растяжение некоторых материалов
МатериалПредел текучести
(МПа)		Предел прочности при растяжении
(МПа)		Плотность
(г/см 3 )
Сталь конструкционная ASTM A36250400–5507.8
Сталь, 10902478417.58
Хромованадиевая сталь AISI 61506209407.8
Сталь, 2800 Мартенситно-стареющая сталь [4]2,6172,6938.00
Сталь, АэрМет 340 [5]2,1602,4307.86
Сталь, Sandvik Sanicro 36Mo каротажный кабель прецизионный провод [6]1,7582,0708.00
Сталь, AISI 4130,
закаленная в воде 855 °C (1570 °F), отпуск 480 °C (900 °F) [7]		9511,1107.85
Сталь, API 5L X65 [8]4485317.8
Сталь, высокопрочный сплав ASTM A5146907607.8
Акрил , прозрачный литой лист (ПММА) [9]7287 [10]1.16
Акрилонитрилбутадиенстирол (АБС) [11]43430,9–1,53
Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП)26–33370,85
Полипропилен12–4319.7–800,91
Сталь нержавеющая AISI 302 [12]2756207.86
Чугун 4,5% C, ASTM A-481302007.3
Сплав « Liquidmetal » [ требуется ссылка ]1,723550–16006.1
Бериллий [13] 99,9% Be3454481.84
Алюминиевый сплав [14] 2014-T64144832.8
Полиэфирная смола (неармированная) [15]5555 
Полиэстер и матовый ламинат из рубленого волокна 30% E-стекла [15]100100 
Эпоксидный композит S-Glass [16]2,3582,358 
Алюминиевый сплав 6061-Т62413002.7
Медь 99,9% Cu70220 [ необходима ссылка ]8.92
Мельхиор 10% Ni, 1,6% Fe, 1% Mn, остальное Cu1303508.94
Латунь200 +5008.73
Вольфрам9411,51019.25
Стекло , отожженное 41 [17]2.53
E-стекло—1500 для ламинатов,
3450 для волокон отдельно		2.57
S-стекло—4,7102.48
Базальтовое волокно [18]—4,8402.7
Мрамор—152.6
Конкретный—2–52.7
Углеродное волокно—1600 для ламинатов,
4137 для волокон отдельно		1.75
Углеродное волокно (Toray T1100G) [19]
(самое прочное искусственное волокно)		 7000 только волокон1.79
Человеческие волосы140–160200–250 [20]1.32 [21]
Бамбуковое волокно 350–5000,4–0,8
Паучий шелк (см. примечание ниже)10001.3
Паутина, паук Дарвина [22]1,652
Шелк шелкопряда500 1.3
Арамид ( кевлар или тварон )3,6203,7571.44
СВМПЭ [23]24520,97
Волокна UHMWPE [24] [25] (Dyneema или Spectra)2300–35000,97
Вектран 2,850–3,3401.4
Полибензоксазол (Зилон) [26]2,7005,8001.56
Древесина, сосна (параллельно волокнам) 40 
Кость (конечность)104–1211301.6
Нейлон, формованный, 6PLA/6M [27]75-851.15
Нейлоновое волокно, вытянутое [28]900 [29]1.13
Эпоксидный клей—12–30 [30]—
Резина—16 [ необходима ссылка ] 
Бор—3,1002.46
Кремний монокристаллический (m-Si)—70002.33
Сверхчистые кварцевые стекловолоконные нити [31]4,100
Сапфир ( Al2O3 )​​400 при 25 °С,
275 при 500 °С,
345 при 1000 °С		19003.9–4.1
Нанотрубка из нитрида бора—33,0002.62 [32]
Алмазный16002800
~80–90 ГПа в микромасштабе [33]		3.5
Графен—внутренний 130 000; [34]
инженерный 50 000–60 000 [35]		1.0
Первые канаты из углеродных нанотрубок?3,6001.3
Углеродная нанотрубка (см. примечание ниже)—11 000–63 0000,037–1,34
Композиты на основе углеродных нанотрубок—1200 [36]—
Высокопрочная пленка из углеродных нанотрубок—9600 [37]—
Зубы моллюска Patella vulgata ( нанокомпозит с нитевидными волокнами гетита ) 4900
3000–6500 [38]
^a Многие значения зависят от производственного процесса, чистоты или состава.
^b Многослойные углеродные нанотрубки имеют самую высокую прочность на разрыв среди всех когда-либо измеренных материалов, одно измерение составило 63 ГПа, что все еще значительно ниже одного теоретического значения 300 ГПа. [39] Первые канаты из нанотрубок (длиной 20 мм), прочность на разрыв которых была опубликована (в 2000 году), имели прочность 3,6 ГПа. [40] Плотность зависит от метода изготовления, и самое низкое значение составляет 0,037 или 0,55 (твердый). [41]
^c Прочность паучьего шелка сильно варьируется. Она зависит от многих факторов, включая вид шелка (каждый паук может производить несколько для различных целей), вид, возраст шелка, температуру, влажность, скорость, с которой прикладывается напряжение во время тестирования, прикладываемое напряжение длины и способ, которым шелк собирается (принудительное шелкопрядение или естественное прядение). [42] Значение, показанное в таблице, 1000 МПа, примерно представляет результаты нескольких исследований с участием нескольких различных видов пауков, однако конкретные результаты сильно различаются. [43]
^d Прочность человеческих волос зависит от этнической принадлежности и химической обработки.

Типичные свойства отожженных элементов

Типичные свойства отожженных элементов [44]
Элемент
Модуль Юнга
(ГПа)		Предел
текучести
(МПа)		Предел
прочности
(МПа)
Кремний1075000–9000
Вольфрам411550550–620
Железо21180–100350
Титан120100–225246–370
Медь130117210
Тантал186180200
Олово479–1415–200
Цинк85–105200–400200–400
никель170140–350140–195
Серебро83170
Золото79100
Алюминий7015–2040–50
Вести1612

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Generic MMPDS Mechanical Properties Table". stressebook.com . 6 декабря 2014 г. Архивировано из оригинала 1 декабря 2017 г. Получено 27 апреля 2018 г.
  2. ^ ab "Растяжимые свойства". Архивировано из оригинала 16 февраля 2014 года . Получено 20 февраля 2015 года .
  3. ^ EJ Pavlina и CJ Van Tyne, «Корреляция предела текучести и прочности на растяжение с твердостью сталей», Журнал «Материаловедение и эксплуатационные характеристики» , 17:6 (декабрь 2008 г.)
  4. ^ "MatWeb – The Online Materials Information Resource". Архивировано из оригинала 15 декабря 2013 года . Получено 20 февраля 2015 года .
  5. ^ "MatWeb – Информационный ресурс онлайн-материалов". Архивировано из оригинала 21 февраля 2015 г. Получено 20 февраля 2015 г.
  6. ^ "MatWeb – Информационный ресурс онлайн-материалов". Архивировано из оригинала 21 февраля 2015 г. Получено 20 февраля 2015 г.
  7. ^ "MatWeb – The Online Materials Information Resource". Архивировано из оригинала 28 марта 2017 года . Получено 20 февраля 2015 года .
  8. ^ "USStubular.com". Архивировано из оригинала 13 июля 2009 года . Получено 27 июня 2009 года .
  9. ^ [1] Архивировано 23 марта 2014 г. в Wayback Machine IAPD Типичные свойства акриловых смол
  10. ^ Строго говоря, эта цифра представляет собой предел прочности на изгиб (или модуль разрыва ), который является более подходящей мерой для хрупких материалов, чем «предел прочности».
  11. ^ «MatWeb — информационный ресурс по онлайн-материалам».
  12. ^ "Нержавеющая сталь - Марка 302 (UNS S30200)". AZoM.com . 25 февраля 2013 г. Получено 2 февраля 2023 г.
  13. ^ "MatWeb – Информационный ресурс онлайн-материалов". Архивировано из оригинала 21 февраля 2015 г. Получено 20 февраля 2015 г.
  14. ^ "MatWeb – Информационный ресурс онлайн-материалов". Архивировано из оригинала 21 февраля 2015 г. Получено 20 февраля 2015 г.
  15. ^ ab "Руководство по армированному стеклом пластику (стекловолокну) – East Coast Fibreglass Supplies". Архивировано из оригинала 16 февраля 2015 г. Получено 20 февраля 2015 г.
  16. ^ "Свойства труб из углеродного волокна". Архивировано из оригинала 24 февраля 2015 г. Получено 20 февраля 2015 г.
  17. ^ "Свойства материала натриево-кальциевого (флоат) стекла :: MakeItFrom.com". Архивировано из оригинала 3 июля 2011 г. Получено 20 февраля 2015 г.
  18. ^ "Basalt Continuous Fibers". Архивировано из оригинала 3 ноября 2009 года . Получено 29 декабря 2009 года .
  19. ^ "Toray Properties Document". Архивировано из оригинала 17 сентября 2018 года . Получено 17 сентября 2018 года .
  20. ^ "Tensile Testing Hair". instron.us . Архивировано из оригинала 28 сентября 2017 г.
  21. ^ Zimmerley, M.; Lin, CY; Oertel, DC; Marsh, JM; Ward, JL; Potma, EO (2009). «Количественное обнаружение химических соединений в человеческих волосах с помощью когерентной антистоксовой микроскопии комбинационного рассеяния». Журнал биомедицинской оптики . 14 (4): 044019. Bibcode : 2009JBO....14d4019Z. doi : 10.1117/1.3184444. PMC 2872558. PMID  19725730 . 
  22. ^ Агнарссон, И; Кунтнер, М; Блэкледж, ТА (2010). «Биоразведка находит самый прочный биологический материал: необычный шелк гигантского речного паука-кругопряда». PLOS ONE . 5 (9): e11234. Bibcode : 2010PLoSO...511234A. doi : 10.1371/journal.pone.0011234 . PMC 2939878. PMID  20856804 . 
  23. ^ Орал, Э.; Кристенсен, С.Д.; Малхи, А.С.; Ванномае, К.К.; Муратоглу, ОК (2006). "PubMed Central, Таблица 3". J Arthroplasty . 21 (4): 580–91. doi :10.1016/j.arth.2005.07.009. PMC 2716092. PMID  16781413 . 
  24. ^ "Растяжимость и ползучесть волокон полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 28 июня 2007 г. . Получено 11 мая 2007 г. .
  25. ^ "Данные о механических свойствах". www.mse.mtu.edu . Архивировано из оригинала 3 мая 2007 г.
  26. ^ "MatWeb – Информационный ресурс онлайн-материалов". Архивировано из оригинала 21 февраля 2015 г. Получено 20 февраля 2015 г.
  27. ^ "Таблица свойств материалов" (PDF) . Продвинутые нейлоны .
  28. ^ "Нейлоновые волокна". Университет Теннесси. Архивировано из оригинала 19 апреля 2015 г. Получено 25 апреля 2015 г.
  29. ^ "Сравнение арамидов". Teijin Aramid. Архивировано из оригинала 3 мая 2015 г.
  30. ^ "Uhu endfest 300 epoxy: прочность при температуре схватывания". Архивировано из оригинала 19 июля 2011 г.
  31. ^ "Fols.org" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 25 июля 2011 . Получено 1 сентября 2010 .
  32. ^ "Какова плотность гидрогенизированных нанотрубок нитрида бора (H-BNNT)?". space.stackexchange.com . Архивировано из оригинала 13 апреля 2017 г.
  33. ^ Dang, Chaoqun; et al. (1 января 2021 г.). «Достижение большой однородной эластичности при растяжении в микрообработанном алмазе». Science . 371 (6524): 76–78. Bibcode :2021Sci...371...76D. doi :10.1126/science.abc4174. PMID  33384375. S2CID  229935085.
  34. ^ Ли, К.; и др. (2008). «Измерение упругих свойств и внутренней прочности монослойного графена». Science . 321 (5887): 385–8. Bibcode :2008Sci...321..385L. doi :10.1126/science.1157996. PMID  18635798. S2CID  206512830. Архивировано из оригинала 19 февраля 2009 г.
    • Фил Шеве (28 июля 2008 г.). «Самый прочный материал в мире». Inside Science News Service . Американский институт физики. Архивировано из оригинала 25 февраля 2009 г.
  35. ^ Cao, K. (2020). "Упругая деформация свободно стоящего монослоя графена". Nature Communications . 11 (284): 284. Bibcode : 2020NatCo..11..284C. doi : 10.1038/s41467-019-14130-0 . PMC 6962388. PMID  31941941. 
  36. ^ IOP.org Z. Wang, P. Ciselli и T. Peijs, Нанотехнологии 18, 455709, 2007.
  37. ^ Сюй, Вэй; Чэнь, Юнь; Чжань, Ханг; Нунг Ван, Цзянь (2016). «Высокопрочная пленка из углеродных нанотрубок благодаря улучшению выравнивания и уплотнения». Nano Letters . 16 (2): 946–952. Bibcode : 2016NanoL..16..946X. doi : 10.1021/acs.nanolett.5b03863. PMID  26757031.
  38. ^ Барбер, AH; Лу, D.; Пуньо, NM (2015). «Чрезвычайная прочность, наблюдаемая в зубах моллюсков». Журнал интерфейса Королевского общества . 12 (105): 105. doi :10.1098/rsif.2014.1326. PMC 4387522. PMID  25694539 . 
  39. ^ Ю, Мин-Фэн; Лури, О; Дайер, МДж; Молони, К; Келли, ТФ; Руофф, Р.С. (2000). «Прочность и механизм разрушения многослойных углеродных нанотрубок под растягивающей нагрузкой». Science . 287 (5453): 637–640. Bibcode :2000Sci...287..637Y. doi :10.1126/science.287.5453.637. PMID  10649994. S2CID  10758240.
  40. ^ Ли, Ф.; Ченг, Х. М.; Бай, С.; Су, Г.; Дрессельхаус, М. С. (2000). «Прочность на разрыв однослойных углеродных нанотрубок, непосредственно измеренная по их макроскопическим канатам». Applied Physics Letters . 77 (20): 3161. Bibcode :2000ApPhL..77.3161L. doi : 10.1063/1.1324984 .
  41. ^ К.Хата. "От высокоэффективного синтеза УНТ без примесей к лесам DWNT, УНТ-солидам и суперконденсаторам" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 12 июня 2010 г.
  42. ^ Элисес; и др. «Вдохновение в волокнах паука Argiope Trifasciata». JOM. Архивировано из оригинала 15 января 2009 г. Получено 23 января 2009 г.
  43. ^ Blackledge; et al. (2005). «Квазистатическая и непрерывная динамическая характеристика механических свойств шелка из паутины паука-черной вдовы Latrodectus hesperus». Журнал экспериментальной биологии . 208 (10). Компания биологов: 1937–1949. doi :10.1242/jeb.01597. PMID  15879074. S2CID  9678391. Архивировано из оригинала 1 февраля 2009 года . Получено 23 января 2009 года .
  44. ^ AM Howatson, PG Lund и JD Todd, Инженерные таблицы и данные , стр. 41

Дальнейшее чтение

  • Джанколи, Дуглас, Физика для ученых и инженеров, третье издание (2000). Верхняя Сэддл-Ривер: Prentice Hall.
  • Кёлер Т., Фолльрат Ф. (1995). «Биомеханика нитей у двух пауков-кругопрядов Araneus diadematus (Araneae, Araneidae) и Uloboris walckenaerius (Araneae, Uloboridae)». Журнал экспериментальной зоологии . 271 : 1–17. doi :10.1002/jez.1402710102.
  • Т. Фоллетт, Жизнь без металлов
  • Min-Feng Y, Lourie O, Dyer MJ, Moloni K, Kelly TF, Ruoff RS (2000). "Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes Under Tensile Load" (PDF) . Science . 287 (5453): 637–640. Bibcode :2000Sci...287..637Y. doi :10.1126/science.287.5453.637. PMID  10649994. S2CID  10758240. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2011 г.
  • Джордж Э. Дитер, «Механическая металлургия» (1988). McGraw-Hill, Великобритания
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Предельная_прочность_на_растяжение&oldid=1253905564"