Пределы упругости. Понятие и факторы на него влияющие

Предел упругости - важнейшая характеристика прочности материалов. Он определяет границу между упругими и пластическими деформациями и имеет большое практическое значение в инженерных расчетах.

Определение предела упругости

Предел упругости - это наибольшее напряжение, при котором после снятия нагрузки материал полностью восстанавливает свои размеры и форму. Иными словами, это граница, после которой в материале возникают необратимые деформации.

Пределы упругости стали при растяжении и сжатии могут различаться. Это связано с анизотропией свойств материалов.

На практике за предел упругости принимают напряжение, вызывающее остаточные деформации порядка 0,05-0,2%. Эту величину определяют по диаграмме растяжения.

Факторы, влияющие на предел упругости

• Химический состав материала
• Наличие примесей и легирующих элементов
• Термическая обработка
• Скорость нагружения
• Температура испытания

Например, легирование стали хромом, никелем, молибденом повышает ее предел упругости. Предварительная термическая обработка (закалка) также упрочняет материал.

Значение предела упругости в расчетах

Пределы упругости являются основными характеристиками прочности, используемыми в инженерных расчетах. Конструкции и механизмы рассчитывают так, чтобы возникающие в них напряжения не превышали допустимых значений с запасом.

Если в процессе эксплуатации напряжение в детали превысит предел упругости материала, это приведет к необратимым деформациям и выходу конструкции из строя.

Для ответственных деталей машин используют материалы с высокими показателями прочности и пределами упругости.

Отличие от предела прочности

Не следует путать предел упругости и предел прочности. Предел прочности - это напряжение, вызывающее разрушение образца. Он всегда выше предела упругости.

Превышение предела упругости еще не означает немедленного разрушения детали. Однако при этом нарушается ее нормальная работа.

Влияние скорости нагружения

Скорость приложения нагрузки оказывает заметное влияние на значение пределов упругости. При высоких скоростях нагружения предел упругости возрастает. Это связано с запаздыванием развития пластических деформаций.

Например, предел упругости стали Ст3 при статическом нагружении составляет 205 МПа. А при ударном нагружении он может повыситься до 250 МПа и более.

Кривая упрочнения

После превышения предела упругости напряжение в материале продолжает расти по мере увеличения деформации. Это явление называется упрочнением или наклепом.

Зависимость между напряжением и деформацией после предела упругости называют кривой упрочнения. Она характеризует способность материала сопротивляться пластическому течению.

Предел упругости при сжатии

При сжимающих нагрузках также определяют предел упругости. Он может отличаться от значения, полученного при растяжении.

Например, для алюминиевого сплава Д16 предел упругости составляет 295 МПа при растяжении и 415 МПа при сжатии.

Динамический предел упругости

Помимо статического предела упругости при медленном нагружении, выделяют динамический предел упругости. Он характеризует сопротивление хрупкому разрушению материала под действием быстро возрастающей нагрузки.

Динамический предел упругости определяют при ударном изгибе или кручении образцов. Он используется для оценки вязкости разрушения материалов.

Предел упругости текучести

Существует понятие предела упругости текучести. Он соответствует напряжению, при котором заканчивается упругая деформация и начинается пластическое течение материала.

Для хрупких материалов предел упругости и предел текучести практически совпадают. А для пластичных материалов предел текучести может быть ниже предела упругости.

Испытания на предел упругости

Для определения предела упругости материалов проводят специальные испытания на растяжение или сжатие. В процессе испытания одновременно фиксируют значения нагрузки и возникающих деформаций.

По результатам испытаний строят диаграмму, на которой находят точку, соответствующую заданной остаточной деформации. Это и есть величина предела упругости.

Анизотропия предела упругости

Предел упругости может иметь различные значения в зависимости от направления приложения нагрузки относительно осей или плоскостей материала. Это явление называется анизотропией.

Например, прокатанная сталь вследствие текстуры обладает повышенным пределом упругости вдоль направления прокатки по сравнению с поперечным направлением.

Влияние температуры

Температура испытаний также важный фактор, влияющий на предел упругости. С ростом температуры предел упругости понижается.

Например, для низкоуглеродистой стали при 20°С предел упругости составляет 490 МПа, а при нагреве до 500°С снижается до 295 МПа.

Предел упругости при циклических нагрузках

Когда материал работает в условиях циклических нагрузок, то определяют усталостный предел упругости. Он соответствует тому уровню напряжений, выше которого начинается накопление остаточных деформаций от цикла к циклу.

Усталостный предел упругости позволяет прогнозировать долговечность деталей машин при переменных нагрузках.

Методы повышения предела упругости

Существует несколько основных методов повышения предела упругости материалов:

• Легирование (добавление легирующих элементов)
• Термическая обработка (закалка, нормализация)
• Поверхностное упрочнение (азотирование, цементация, наклеп)
• Оптимизация режимов обработки металлов давлением
• Использование композиционных и градиентных материалов

Выбор метода зависит от требований к изделию, его эксплуатационных характеристик и технологичности.

Длительная прочность и предел выносливости

Помимо кратковременной статической прочности, оцениваемой пределом упругости, существует понятие длительной прочности или выносливости.

Предел выносливости соответствует такому уровню напряжений, которое материал может выдерживать в течение заданного количества циклов нагружения без разрушения.

Определение запаса прочности

На основании предела упругости материала рассчитывают запас прочности - величину, показывающую, во сколько раз фактические напряжения ниже допускаемых.

Запас прочности позволяет оценить надежность и долговечность конструкции при заданных условиях эксплуатации.

Нормирование предела упругости

Для различных материалов предел упругости регламентируется соответствующими стандартами и техническими условиями.

Нормируемые значения зависят от состава, структуры материала и технологии его производства. Например, для стали Ст3 предел упругости должен быть не ниже 205 МПа.