Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с Ultimate Strength )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Две тиски прикладывают растяжение к образцу, потянув за него, растягивая образец до тех пор, пока он не сломается. Максимальное напряжение, которое он выдерживает перед разрушением, является его пределом прочности на разрыв.

Предел прочности при растяжении ( UTS ), часто сокращаемый до предела прочности на разрыв ( TS ), предела прочности или в уравнениях [1] [2] [3] - это максимальное напряжение, которое материал может выдержать при растяжении или растяжении перед разрушением. В хрупких материалах предел прочности на разрыв близок к пределу текучести , тогда как в пластичных материалах предел прочности может быть выше.

Предел прочности при растяжении обычно определяется путем проведения испытания на растяжение и регистрации зависимости инженерного напряжения от деформации . Наивысшая точка кривой напряжение-деформация - это предел прочности при растяжении и имеет единицы измерения напряжения. Эквивалентная точка для случая сжатия вместо растяжения называется прочностью на сжатие .

Предел прочности на растяжение редко используется при проектировании пластичных элементов, но он важен для хрупких элементов. Они сведены в таблицу для обычных материалов, таких как сплавы , композитные материалы , керамика , пластмассы и дерево.

Определение [ править ]

Предел прочности материала при растяжении - это интенсивное свойство ; 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 окружающей среды и материала для испытаний.

Некоторые материалы ломаются очень резко, без пластической деформации , что называется хрупким разрушением. Другие, которые являются более пластичным, включая большинство металлов, испытывают некоторую пластическую деформацию и , возможно , сужения до того перелома.

Прочность на растяжение определяется как напряжение, которое измеряется как сила на единицу площади. Для некоторых неоднородных материалов (или для собранных компонентов) это может быть выражено как сила или как сила на единицу ширины. В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения является паскаль (Па) (или кратное ему, часто мегапаскали (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 psi). Килофунды на квадратный дюйм (ksi, или иногда kpsi) равны 1000 psi и обычно используются в Соединенных Штатах при измерении прочности на разрыв.

Пластичные материалы [ править ]

Рисунок 1: «Инженерная» кривая напряжения-деформации (σ – ε), типичная для алюминия
1. Предел прочности
2. Предел текучести
3. Пропорциональное предельное напряжение
4. Разрушение
5. Деформация смещения (обычно 0,2%)
Рисунок 2: «Техническая» (красный) и «истинная» (синяя) кривая зависимости напряжения от деформации, типичная для конструкционной стали .
  • 1: Абсолютная сила
  • 2: Предел текучести (предел текучести)
  • 3: Разрыв
  • 4: Область деформационного упрочнения
  • 5: область шеи
  • A: Видимое напряжение ( F / A 0 )
  • B: Фактическое напряжение ( F / A )

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

После предела текучести пластичные металлы проходят период 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 изменение инженерной кривой напряжения-деформации (кривая A, рисунок 2); это связано с тем, что инженерное напряжение рассчитывается исходя из исходной площади поперечного сечения до образования шейки. Точка разворота - это максимальное напряжение на инженерной кривой напряжение-деформация, а координата инженерного напряжения этой точки - это предел прочности на растяжение, определяемый точкой 1.

Предел прочности на растяжение не используется при проектировании пластичных статических элементов, поскольку методы проектирования диктуют использование предела текучести . Однако он используется для контроля качества из-за простоты тестирования. Он также используется для приблизительного определения типов материалов для неизвестных образцов. [4]

Предел прочности на растяжение является обычным инженерным параметром при проектировании элементов из хрупкого материала, поскольку такие материалы не имеют предела текучести . [4]

Тестирование [ править ]

Образец круглого прутка после испытания на растяжение
Образцы алюминия для испытаний на растяжение после разрушения
Некоторые части имеют форму "чашки", а некоторые - форму "конуса".
Основная статья: Испытание на растяжение

Как правило, испытание включает взятие небольшого образца с фиксированной площадью поперечного сечения, а затем его вытягивание тензометром с постоянной скоростью (изменение измерительной длины, деленной на исходную измерительную длину) до тех пор, пока образец не сломается.

При испытании некоторых металлов твердость при вдавливании линейно коррелирует с пределом прочности на разрыв. Это важное соотношение позволяет осуществлять экономически важный неразрушающий контроль поставок объемного металла с помощью легкого, даже портативного оборудования, такого как портативные твердомеры по Роквеллу . [5] Эта практическая взаимосвязь помогает обеспечению качества в металлообрабатывающей промышленности выходить далеко за рамки лабораторных и универсальных испытательных машин .

Типичные значения прочности на разрыв [ править ]

Типичная прочность на разрыв некоторых материалов
МатериалПредел текучести
(МПа)		Предел прочности на разрыв
(МПа)		Плотность
(г / см 3 )
Сталь, конструкционная сталь ASTM A36250400–5507,8
Сталь 1090 мягкая2478417,58
Хромованадиевая сталь AISI 61506209407,8
Сталь 2800 Мартенситностареющая [6]261726938.00
Сталь, AerMet 340 [7]216024307,86
Сталь, прецизионная проволока для каротажных кабелей Sandvik Sanicro 36Mo [8]175820708.00
Сталь, AISI 4130, закалка в воде 855 ° C (1570 ° F), состояние 480 ° C (900 ° F) [9]95111107,85
Сталь API 5L X65 [10]4485317,8
Сталь, высокопрочный сплав ASTM A5146907607,8
Акрил , прозрачный литой лист (ПММА) [11]7287 [12]1,16
Полиэтилен высокой плотности (HDPE)26–33370,85
Полипропилен12–4319,7–800,91
Сталь нержавеющая AISI 302 - холоднокатаная520 [ необходима ссылка ]8608,19
Чугун 4,5% C, ASTM A-481302007.3
Сплав " Ликвидметалл " [ необходима ссылка ]1723550–16006.1
Бериллий [13] 99,9% Be3454481,84
Алюминиевый сплав [14] 2014-T64144832,8
Полиэфирная смола (неармированная) [15]5555 
Полиэстер и ламинат из рубленого волокна 30% E-стекло [15]100100 
Эпоксидный композит S-Glass [16]23582358 
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
Вольфрам941151019,25
Стекло 33 [17]2,53
E-GlassN / A1500 для ламината,
3450 для одних волокон		2,57
S-СтеклоN / A47102,48
Базальтовое волокно [18]N / A48402,7
МраморN / A152,6
КонкретныйN / A2–52,7
Углеродное волокноN / A1600 для ламината,
4137 только для волокон		1,75
Углеродное волокно (Toray T1100G) [19] (самые прочные искусственные волокна) Только 7000 волокон1,79
Человеческая прическа140–160200–250 [20] 
Бамбук 350–5000,4
Паучий шелк (см. Примечание ниже)10001.3
Паучий шелк, паук из коры Дарвина [21]1652
Шелк шелкопряда500 1.3
Арамид ( кевлар или тварон )362037571,44
СВМПЭ [22]24520,97
Волокна из СВМПЭ [23] [24] (Dyneema или Spectra)2300–35000,97
Вектран 2850–3340 
Полибензоксазол (Зилон) [25]270058001,56
Дерево, сосна (параллельно волокну) 40 
Кость (конечность)104–1211301.6
Нейлон формованный, тип 6/64507501,15
Нейлоновое волокно, вытяжное [26]900 [27]1.13
Эпоксидный клей-12–30 [28]-
Резинка-16 
БорN / A31002,46
Кремний , монокристаллический (m-Si)N / A70002.33
Волоконно-оптические волокна из сверхчистого кварцевого стекла [29]4100
Сапфир (Al 2 O 3 )400 при 25 ° C, 275 при 500 ° C, 345 при 1000 ° C1900 г.3,9–4,1
Нанотрубка из нитрида бораN / A330002,62 [30]
Алмазный16002800 (~ 80-90 ГПа в микромасштабе [31] )3.5
ГрафенN / Aвнутренняя 130000; [32] инженерное дело 50000-60000 [33]1.0
Первые веревки из углеродных нанотрубок?36001.3
Углеродные нанотрубки (см. Примечание ниже)N / A11000–630000,037–1,34
Композиты с углеродными нанотрубкамиN / A1200 [34]N / A
Высокопрочная пленка из углеродных нанотрубокN / A9600 [35]N / A
Железо (чистый монокристалл)37,874
Зубы Limpet Patella vulgata (Goethite)4900
3000–6500 [36]
^ a Многие значения зависят от производственного процесса, чистоты или состава.
^ b Многослойные углеродные нанотрубки обладают наивысшей прочностью на разрыв из всех когда-либо измеренных материалов: одно измерение составляет 63 ГПа, что все еще значительно ниже теоретического значения 300 ГПа. [37] Первые жгуты из нанотрубок (длиной 20 мм), предел прочности которых был опубликован (в 2000 г.), имели прочность 3,6 ГПа. [38] Плотность зависит от метода изготовления, и наименьшее значение составляет 0,037 или 0,55 (твердое тело). [39]
^ c Прочность паучьего шелка сильно различается. Это зависит от многих факторов, включая вид шелка (каждый паук может производить несколько для разных целей), вид, возраст шелка, температура, влажность, скорость, с которой прикладывается нагрузка во время тестирования, прикладываемое напряжение длины и способ изготовления шелка. собранные (принудительное шелушение или натуральное прядение) [40] Значение, указанное в таблице, 1000 МПа, примерно соответствует результатам нескольких исследований с участием нескольких различных видов пауков, однако конкретные результаты сильно различались. [41]
^ d Сила человеческого волоса зависит от этнической принадлежности и химического воздействия.
Типичные свойства отожженных элементов [42]
ЭлементЮнга
модуль
(ГП)		Смещение или
предел текучести
(МПа)		Предел
прочности
(МПа)
кремний1075000–9000
вольфрам411550550–620
утюг21180–100350
титан120100–225246–370
медь130117210
тантал186180200
банка479–1415–200
цинковый сплав85–105200–400200–400
никель170140–350140–195
серебро83170
золото79100
алюминий7015–2040–50
Свинец1612

См. Также [ править ]

  • Предел прочности при изгибе
  • Сопротивление материалов
  • Растяжимая структура
  • Стойкость
  • Отказ
  • Напряжение (физика)
  • Модуль для младших

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Общая таблица механических свойств MMPDS» . stressebook.com . 6 декабря 2014. Архивировано 1 декабря 2017 года . Проверено 27 апреля 2018 года .
  2. ^ ДеГармо, Black & Kohser 2003 , стр. 31 год
  3. ^ Смит и Хашеми 2006 , стр. 223
  4. ^ a b «Свойства при растяжении» . Архивировано из оригинального 16 февраля 2014 года . Проверено 20 февраля 2015 года .
  5. ^ EJ Pavlina и CJ Van Tyne, " Корреляция предела текучести и предела прочности на растяжение с твердостью для сталей ", Журнал материаловедения и производительности , 17: 6 (декабрь 2008 г.)
  6. ^ "MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов" . Архивировано 15 декабря 2013 года . Проверено 20 февраля 2015 года .
  7. ^ "MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов" . Архивировано 21 февраля 2015 года . Проверено 20 февраля 2015 года .
  8. ^ "MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов" . Архивировано 21 февраля 2015 года . Проверено 20 февраля 2015 года .
  9. ^ "MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов" . Архивировано 28 марта 2017 года . Проверено 20 февраля 2015 года .
  10. ^ "USStubular.com" . Архивировано из оригинального 13 июля 2009 года . Проверено 27 июня 2009 года .
  11. ^ [1] Архивировано 23 марта 2014 г. на Wayback Machine IAPD. Типичные свойства акрила.
  12. ^ Строго говоряэта цифра является предел прочности при изгибе (или модуль разрыва ), которая является более подходящей мерой для хрупких материаловчем «максимальный предел прочности»
  13. ^ "MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов" . Архивировано 21 февраля 2015 года . Проверено 20 февраля 2015 года .
  14. ^ "MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов" . Архивировано 21 февраля 2015 года . Проверено 20 февраля 2015 года .
  15. ^ a b «Руководство по стеклопластику (стекловолокно) - Поставки стекловолокна Восточного побережья» . Архивировано из оригинала 16 февраля 2015 года . Проверено 20 февраля 2015 года .
  16. ^ «Свойства трубок из углеродного волокна» . Архивировано 24 февраля 2015 года . Проверено 20 февраля 2015 года .
  17. ^ "Свойства материала натронно-известкового (флоат-стекла) :: MakeItFrom.com" . Архивировано 3 июля 2011 года . Проверено 20 февраля 2015 года .
  18. ^ "Базальтовые непрерывные волокна" . Архивировано из оригинала 3 ноября 2009 года . Проверено 29 декабря 2009 года .
  19. ^ "Документ свойств Toray" . Проверено 17 сентября 2018 года .
  20. ^ «Волосы для испытаний на растяжение» . instron.us . Архивировано 28 сентября 2017 года.
  21. ^ Агнарссон, я; Кунтнер, М; Блэкледж, TA (2010). «Биоразведка находит самый прочный биологический материал: необыкновенный шелк гигантского речного паука-шара» . PLOS ONE . 5 (9): e11234. Bibcode : 2010PLoSO ... 511234A . DOI : 10.1371 / journal.pone.0011234 . PMC 2939878 . PMID 20856804 .  
  22. ^ Устный, E; Кристенсен, SD; Malhi, AS; Wannomae, KK; Муратоглу, ОК (2006). «PubMed Central, Таблица 3» . J Артропластика . 21 (4): 580–91. DOI : 10.1016 / j.arth.2005.07.009 . PMC 2716092 . PMID 16781413 .  
  23. ^ "Прочность и ползучесть полиэтиленовых волокон сверхвысокой молекулярной массы" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 28 июня 2007 года . Проверено 11 мая 2007 года .
  24. ^ «Данные о механических свойствах» . www.mse.mtu.edu . Архивировано 3 мая 2007 года.
  25. ^ "MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов" . Архивировано 21 февраля 2015 года . Проверено 20 февраля 2015 года .
  26. ^ «Нейлоновые волокна» . Университет Теннесси. Архивировано из оригинала 19 апреля 2015 года . Проверено 25 апреля 2015 года .
  27. ^ «Сравнение арамидов» . Тейджин Арамид. Архивировано 3 мая 2015 года.
  28. ^ «Эпоксидная смола Uhu endfest 300: прочность при превышении установленной температуры» . Архивировано 19 июля 2011 года.
  29. ^ "Fols.org" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 25 июля 2011 года . Проверено 1 сентября 2010 года .
  30. ^ "Какова плотность нанотрубок гидрогенизированного нитрида бора (H-BNNT)?" . space.stackexchange.com . Архивировано 13 апреля 2017 года.
  31. ^ Данг, Чаокун; и другие. (1 января 2021 г.). «Достижение большой однородной эластичности при растяжении в микроизготовленном алмазе» . Наука . 371 (6524): 76–78. DOI : 10.1126 / science.abc4174 . PMID 33384375 . 
  32. ^ Ли, C .; и другие. (2008). «Измерение упругих свойств и внутренней прочности однослойного графена» . Наука . 321 (5887): 385–8. Bibcode : 2008Sci ... 321..385L . DOI : 10.1126 / science.1157996 . PMID 18635798 . S2CID 206512830 . Архивировано 19 февраля 2009 года. Краткое содержание .  
  33. ^ Цао, К. (2020). «Упругое деформирование отдельно стоящего монослоя графена» . Nature Communications . 11 (284): 284. DOI : 10.1038 / s41467-019-14130-0 . PMC 6962388 . PMID 31941941 .  
  34. ^ IOP.org З. Ван, П. Сизелли и Т. Пейс, Нанотехнологии 18, 455709, 2007.
  35. ^ Сюй, Вэй; Чен, Юнь; Жан, Ханг; Нонг Ван, Цзянь (2016). «Высокопрочная пленка из углеродных нанотрубок от улучшения выравнивания и уплотнения». Нано-буквы . 16 (2): 946–952. Bibcode : 2016NanoL..16..946X . DOI : 10.1021 / acs.nanolett.5b03863 . PMID 26757031 . 
  36. ^ Барбер, AH; Лу, Д .; Пуньо, Нью-Мексико (2015). «Чрезвычайная сила наблюдается в блюдец» . Журнал Интерфейса Королевского общества . 12 (105): 105. DOI : 10.1098 / rsif.2014.1326 . PMC 4387522 . PMID 25694539 .  
  37. ^ Ю, Мин-Фэн; Лурье, О; Дайер, MJ; Молони, К; Келли, TF; Руофф, RS (2000). «Прочность и механизм разрушения многослойных углеродных нанотрубок при растягивающей нагрузке». Наука . 287 (5453): 637–640. Bibcode : 2000Sci ... 287..637Y . DOI : 10.1126 / science.287.5453.637 . PMID 10649994 . 
  38. ^ Ли, Ф .; Cheng, HM; Bai, S .; Вс, Г .; Дрессельхаус, MS (2000). «Прочность на разрыв однослойных углеродных нанотрубок, измеренная непосредственно с их макроскопических канатов» . Письма по прикладной физике . 77 (20): 3161. Bibcode : 2000ApPhL..77.3161L . DOI : 10.1063 / 1.1324984 . Архивировано из оригинального 28 декабря 2012 года.
  39. ^ К. Хата. «От высокоэффективного синтеза УНТ без примесей к лесам DWNT, твердым телам CNT и суперконденсаторам» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 12 июня 2010 года.
  40. ^ Elices; и другие. «В поисках вдохновения в шелковых волокнах паука Argiope Trifasciata» . JOM. Архивировано из оригинала 15 января 2009 года . Проверено 23 января 2009 года .
  41. ^ Блэкледж; и другие. «Квазистатическая и непрерывная динамическая характеристика механических свойств шелка из паутины черной вдовы Latrodectus hesperus» . Компания биологов. Архивировано 1 февраля 2009 года . Проверено 23 января 2009 года .
  42. ^ AM Howatson, PG Lund, и JD Тодд, Инженерные таблицы и данные , стр. 41 год

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Джанколи, Дуглас, Физика для ученых и инженеров, третье издание (2000). Река Верхнее Седл: Зал Прентис.
  • Келер Т., Фоллрат Ф (1995). « Биомеханика нитей у двух пауков , плетущих сферы 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
  • Мин-Фэн И, Лурье О., Дайер М.Дж., Молони К., Келли Т.Ф., Руофф Р.С. (2000). «Прочность и механизм разрушения многослойных углеродных нанотрубок при растягивающей нагрузке» (PDF) . Наука . 287 (5453): 637–640. Bibcode : 2000Sci ... 287..637Y . DOI : 10.1126 / science.287.5453.637 . PMID  10649994 . Архивировано из оригинального (PDF) 4 марта 2011 года.
  • Джордж Э. Дитер, Механическая металлургия (1988). Макгроу-Хилл, Великобритания