Mez kluzu: definice, měření charakteristik oceli, zkoušení slitin

Ocel je žádaný materiál v průmyslovém a stavebním sektoru, který má vysoké výkonové charakteristiky a je vynikající pro stavbu budov, konstrukcí, mostů a dalších objektů.

Při navrhování určitých konstrukcí berou inženýři v úvahu vlastnosti oceli, včetně meze kluzu. Stojí za to se blíže podívat na to, co je standardní charakteristika a jak ji správně vypočítat.

Co je to?

Každý konstruktér musí vědět vše o mechanických vlastnostech materiálu, se kterým pracuje. Mez kluzu je maximální dovolené zatížení, které nezničí konstrukci v okamžiku aplikace. Čím vyšší je označení indikátoru, tím je výrobek považován za odolnější a tím větší zátěž může odolat. Destrukce nebo závažná deformace stavebních prvků používaných pro stavbu různých objektů je nepřijatelná. Při návrhu je proto bezpodmínečně nutné vzít v úvahu mez kluzu, která zabraňuje vážnému poškození konstrukce s možností lidských obětí.

Uvážíme-li mez kluzu v praxi, určuje, jaké zatížení může být aplikováno na materiál a části nebo prvky, které z něj byly vyrobeny. Jinými slovy, mez kluzu je speciální zatížení, které vydrží:

• budova;
• konstrukce;
• mechanismus.

Dříve se indikátor určoval pomocí experimentů a teprve v 19. století přišli vědci na pevnost materiálů nebo teorii odolnosti materiálů. Nyní je otázka spolehlivosti vyřešena bezpečnostní rezervou zabudovanou do materiálu. Nárůst tohoto ukazatele vedl ke zvýšení nákladů na stavby a rozšíření schopností ve stavebnictví a průmyslu.

Ovlivňující faktory

Vlastnosti kovu jsou dány typem krystalové mřížky, která se tvoří na základě procenta uhlíku ve složení. Závislost mřížkové struktury na počtu uhlíkových sloučenin můžete sledovat na speciálním strukturním diagramu. Pokud například kov obsahuje 0,06 % uhlíku, pak je to ferit, který se vyznačuje speciální mřížkovou strukturou – zrnitou. Mezi vlastnosti materiálu patří pevnost a zvýšená tekutost, což mu umožňuje odolat velkému zatížení.

Podle struktury oceli se dělí na:

• feritický;
• perlit nebo cementit-ferit;
• cementit-perlit;
• perlit

Každý kov má své vlastní charakteristiky a index tekutosti, který určuje maximální nosnost materiálu, při které se nedeformuje ani nezbortí.

Mangan a křemík

Jsou to speciální přísady, díky kterým je možné zvýšit stupeň, při kterém dochází k dezoxidaci materiálu. Navíc je pomocí těchto prvků možné snížit škodlivé účinky síry a zlepšit technické vlastnosti. Křemík například zvyšuje svařitelnost kovu. Průměrný obsah složky je 0,38 %. V zásadě k přidání prvku dochází během období dezoxidace materiálu.

Síra a fosfor

Síra se používá ve formě křehkých siřičitanů, které mohou měnit mechanické vlastnosti slitiny. Čím více tohoto prvku, tím nižší:

• plastický;
• tekutost;
• viskozita.

Při nadměrném přidávání síry se vlastnosti kovu zhoršují, stává se nestabilním vůči korozi a silnému otěru a rychle se stává nepoužitelným. Fosfor slouží ke zvýšení indexu tekutosti a snížení tažnosti slitiny. Ve velkém množství však může součást také poškodit kov. Optimální hodnoty síry a fosforu tedy dosahují 0,025 %, respektive 0,044 %.

dusík a kyslík

Nekovové součásti, jejichž prostřednictvím se snižují mechanické vlastnosti slitiny. Vysoký obsah kyslíku urychluje korozní procesy a zkracuje životnost výrobku a přítomnost takové složky negativně ovlivňuje tažnost a viskozitu.

Dusík naopak může zvýšit pevnost materiálu. V tomto případě však trpí mez kluzu, což znamená, že kov nebude schopen odolat velkému zatížení.

Legující přísady

Zlepšují „fyziku“ oceli, zvyšují ukazatele, jako je tekutost, rázová houževnatost a pevnost. Přítomnost takových přísad zabraňuje předčasné deformaci a praskání materiálu. Mezi běžné součásti patří:

Chrom se také používá jako legovací přísada.

Indikátory pro různé oceli

Různé třídy oceli mají různé meze kluzu. Pokud vezmeme v úvahu možnosti pro dlouhé výrobky o velikosti 80 mm, jsou pro ně charakteristické následující hodnoty.

• 20. Tekutost při teplotě 20 stupňů Celsia dosahuje 245 N/mm2. Pokud přepočteme na kilogramovou sílu, pak je toto číslo 25 kgf/mm2.
• 30. Parametr dosahuje 295 N/mm2 nebo 36 kgf/mm2.
• 45. Maximální mez kluzu má hodnotu 355 N/mm2, které je dosaženo při teplotě 20 stupňů Celsia po normalizaci oceli.

Kromě toho GOST 1050-88 stanoví pro řadu ocelí modifikované parametry standardní meze kluzu, které jsou stanoveny na základě požadavků spotřebitele a možností výrobce. Například vzorky vyříznuté z tepelně zpracovaných polotovarů poskytují následující hodnoty.

• Ocel 30. Parametr závisí na tloušťce ocelového plechu. Válcované výrobky, jejichž velikost nepřesahuje 16 mm, vykazují mez kluzu 400 N/mm2, od 16 do 40 mm – 355 N/mm2, od 40 do 100 mm – od 295 N/mm2.
• Ocel 45. Při stejných rozměrech jsou ukazatele meze kluzu 490 N/mm2, 430 N/mm2 a 375 N/mm.
• Ocel 40H a 40HH. Legovaný chromový materiál, jehož vlastnosti jsou regulovány GOST 4543-71. Válcované výrobky o rozměrech 25 mm mají mez kluzu 785 N/mm2. Tohoto indikátoru lze dosáhnout poté, co kov podstoupí tepelné zpracování. Ocel 45X má vyšší sazbu.
• Ocel 09G2S. Hlavní charakteristiky jsou uvedeny v GOST 5520-79. Ocel je nízkolegovaný konstrukční materiál používaný k montáži svařovaných konstrukcí. Zvláštností značky je vysoká pevnost, maximální tekutost je 345 N/mm2. Čím vyšší je provozní teplota materiálu, tím nižší je indikátor a tím větší jsou požadavky na použití.
• Ocel 3. Jedná se o kov s vysokým obsahem uhlíku, jehož vlastnosti lze nalézt v GOST 380-200. Výrobci vyrábějí několik jakostí tohoto typu oceli: St3kp, St3ps, St3sp, St3Gps, St3Gsp, S245. Každá značka má svou vlastní tekutost, která se pohybuje od 195 do 235 N/mm2.

Existují také indikátory pro oceli 35, 50, 20X, S245, 10HSND a další jakosti. Čím vyšší je indikátor, tím je materiál pevnější a tím vyšší je jeho odolnost vůči vnějším vlivům ve formě působivých zatížení.

Jak vypočítat?

Frenkel je jedním ze slavných vědců, kterému se připisuje brilantní předpoklad. Dříve byla změna tvaru materiálu chápána jako deformace, ke které dochází v důsledku vlivu smykového napětí na strukturu materiálu. V rukopisech minulého století se věřilo, že ke spuštění plastické deformace materiálu stačí posunout jednu polovinu výrobku do bodu, kdy již není možné se vrátit do původní polohy. Frenkel jako první navrhl, že materiál může mít zvláštní strukturu, která zahrnuje krystaly nebo představuje semikrystalický prostor, což je typické například pro:

• kovy 30KhGSA, 5, 65G, 17G1S a další jakosti;
• keramika;
• polymery.

Tento typ struktury materiálu naznačuje existenci prostorové mřížky, v jejíchž uzlech se shromažďuje určitý počet atomů. Struktura mřížek je pro každou látku odlišná a přísně unikátní, přičemž se liší i vzdálenosti mezi atomy v místech mřížky. Proto, aby došlo ke smyku a následné deformaci, je nutné vyvinout úsilí k přerušení meziatomových vazeb.

Mez kluzu je speciálním ukazatelem napětí, které je nezbytné k přerušení vazeb mezi atomy. Aplikace takové síly povede k vzájemnému posunutí prvků bez možnosti návratu do původní polohy, protože pružné síly již nebudou působit. V makrokosmu vede působení sil rovných meze kluzu k rozvoji deformací plastického typu v materiálu, které mohou měnit jeho tvar a velikost. Výsledkem takového nárazu je změna tvaru a těla oceli s následným porušením a destrukcí konstrukce.

Návrhová odolnost je stanovena zkoušením standardních vzorků. Jak výzkum postupuje, vytváří se graf, který nám umožňuje zjistit, kam ocel „teče“.

Provádění zkoušek ve výrobě

Testy pro stanovení indexu tekutosti se provádějí pomocí předem připravených vzorků a speciálního vybavení. Zde jsou hlavní fáze výzkumu.

• Nejprve se do předem připraveného zařízení umístí válcový vzorek, jehož průřez je 20 mm v průměru a 10 mm na délku.
• Zařízení se spustí a začnou měření, přičemž se výsledky postupně zapisují do notebooku nebo poznámkového bloku a pokud je to možné, sleduje se úsekový diagram na obrazovce.
• Je sestrojen graf, který jasně ukazuje změnu struktury vzorku.
• Zaznamenává se hodnota síly při zničení válce.

Dále začneme vyhodnocovat rozvrh. Výsledky ukazují, že malé zatížení vede k přímo úměrnému prodloužení vzorku. S postupným zvyšováním tahové síly se obrobek dostává na hranici, kde končí proporcionalita, po které se výrobek dostává do bodu, ze kterého není návratu, kdy se zdroj nemůže vrátit na původní délku, když je zátěž odstraněna. V průběhu času, i bez změny zátěže, se bude součást dále měnit, dokud nedosáhne svého limitu a selže.

Nedávné testy například prokázaly, že tyč z oceli St3 se zhroutí, když je dosaženo zatížení 2450 kg.

апрель 09,2024

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

Přehled mechanických vlastností materiálů

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

Kromě toho jsou níže uvedeny hlavní mechanické vlastnosti:

Obrázek 1. Mechanické vlastnosti

Pochopení meze kluzu

Definice a význam

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

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

Elastická a plastická deformace:

Tabulka 1. Pružná a plastická deformace

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

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

Deformace napětí Lineární závislost

Nelineární vztah mezi stresem a zátěží.

Lineární řez v oblasti startu.

Neexistuje žádná jasně definovaná lineární část.

Energie se elasticky ukládá a uvolňuje se při uvolnění stresu.

Vnitřní přeskupení atomů nebo molekulárních vazeb způsobuje disipaci energie.

Tváření kovů, kování

Role při výběru materiálu a designu:

• Síla materiálu
• Bezpečnost a spolehlivost
• Optimalizace

Faktory ovlivňující mez kluzu

1. Složení materiálu: co je uhlíková ocel?

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

Obrázek 2 Uhlíková ocel

1. Tepelné zpracování a podmínky prostředí

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

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

Měření meze kluzu

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

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

1. Standardní zkušební metody

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

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

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

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

Studie pevnosti v tahu

Stanovení pevnosti v tahu

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

Konečný bod napětí a konečná síla:

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

Vztah k selhání materiálu:

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

Determinanty pevnosti v tahu

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

Typ materiálu a mikrostruktura:

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

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

Výrobní postupy a použité materiály:

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

Zkouška pevnosti v tahu

1. Zařízení pro zkoušení tahem

Pro tahové zkoušky se používají následující zařízení:

Stroj na zkoušení tahem:

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

Obrázek 3. Stroj na zkoušení tahem

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

Obrázek 4. Extenzometr

1. Jak vypočítat konečnou sílu: Interpretace výsledků testu

K určení pevnosti materiálu se používají následující kroky:

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

Mez kluzu a pevnost v tahu: jaký je rozdíl?

Srovnávací analýza

Tabulka 2. Mez kluzu v závislosti na pevnosti v tahu

Použitelné pro plastové materiály.

Používá se pro křehké materiály.

Posuzují se víceosé napěťové stavy.

Studovali pouze při jednoosém zatížení.

Zohledněna odhadovaná hodnota.

Přesné hodnoty se 100% přesností

Určeno v místě plastické zóny.

Stanoví se v místě zlomeniny.

Odkaz na YouTube:

Grafické znázornění křivek napětí-deformace:

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

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

Mez kluzu a pevnost v tahu v různých materiálech

Tabulka 3. Mez kluzu a pevnost v tahu různých materiálů