Прочность на разрыв: ключевые определения, важность, типы и реальные примеры

Для производителей прочность на разрыв — одна из первых вещей, нужных при выборе подходящего материала для их продуктов. В этой статье мы рассмотрим, что это такое, как это отличается от других похожих спецификаций и как это рассчитать.

Что такое прочность на разрыв?

Прочность на разрыв материала — это то, сколько нагрузки или растягивающей силы он может выдержать через определенную площадь до того, как он либо постоянно растянутся, либо сломается. В то время как его предел текучести — это точка непосредственно перед тем, как материал начинает растягиваться так, что он не может вернуться к своей исходной форме, прочность на разрыв — это точка, в которой он ломается. Материал вроде стали имеет высокую прочность на разрыв, а резиновая лента будет в самом низу шкалы.

Для материалов, растягивающихся предсказуемым образом — как пружина, например — отклик на приложенную силу, его «эластичность», будет зависеть от его «линейной эластичной зоны». Если сила находится в этой зоне, пружина вернется к своей исходной форме, когда сила исчезнет. Если нет, материал сломается или будет поврежден неисправимо. Вы можете увидеть, как растягивающая сила отличается от других типов в терминах своего направления на диаграмме ниже.

Какова важность проведения теста на прочность на разрыв?

Тесты на растяжение используются для изучения свойств прочности новых формулировок материалов. Они используются для проверки результатов термической обработки или других процессов, или для верификации, что партия материала соответствует ее исходным спецификациям. Валидация свойств входящих сырьевых материалов — критически важная часть процессного контроля и предотвращения отказов. Это无论供应商是否进行测试并由客户接受，还是客户选择检查供应商关于一批材料的声明。

На заводе фабриканта деталей тестирование прочности на разрыв материалов может быть шагом процессного контроля. Оно помогает обеспечить, что материалы находятся в правильном состоянии в отношении термической обработки, закалки, отверждения или любого другого производственного шага, меняющего прочность и пластичность материала. В исследовательской и развивающей настройке тестирование на растяжение — легкий способ проверить, имеет ли предложенная формулировка характеристики, искомые для нового приложения, или для улучшения существующего.

Тесты на растяжение могут выполняться на испытательных барах, отлитых в форму или обработанных из сырья. Они также могут быть обработаны из фактической отлитой или обработанной детали, если есть критическая необходимость проверить свойства в одном сечении большой детали.

Какова важность прочности на разрыв в 3D-напечатанных деталях?

Прочность на разрыв — важный фактор в 3D-печати, конкретно из-за потенциала для направленных растягивающих свойств. Например, 3D-напечатанные пластиковые детали с использованием технологии FDM (моделирование методом наплавления) будут иметь более низкую прочность на разрыв вдоль их z-оси, где z-ось относится к вертикальной высоте детали. Это потому, что отдельные слои не полностью срастаются друг с другом и контактируют друг с другом только на небольшой площади поверхности.

Многие листы данных материалов для 3D-напечатанных материалов укажут прочность на разрыв в разных направлениях внутри материала (обычно в направлениях Z и XY). Другие технологии 3D-печати, такие как SLM (селективное лазерное плавление), производят детали с изотропной структурой, что означает, что их свойства равны во всех направлениях.

Какова идеальная прочность на разрыв для материалов 3D-печати?

Идеальная прочность на разрыв зависит от приложения детали, используемого материала и величины и направления нагрузок. Например, если деталь нагружается только на сжатие, то прочность на разрыв не важна. Или если деталь — корпус для электроники, то прочность на разрыв менее важна, чем антистатические и влаго 흡수 свойства. При проектировании 3D-напечатанных деталей материал выбирается на основе приложения, а не наоборот.

Важно ли определять прочность на разрыв 3D-напечатанных материалов?

Да, важно определять прочность на разрыв 3D-напечатанных материалов. Но только если 3D-напечатанная деталь будет подвергаться механической нагрузке. Например, если проектируется 3D-напечатанная деталь из ABS, то было бы ошибкой использовать нормальные свойства ABS. Материал 3D-печати может иметь более низкую прочность на разрыв по сравнению с теоретической прочностью материала на основе используемой технологии 3D-печати.

Как рассчитать прочность на разрыв материала?

Чтобы правильно измерить прочность на разрыв, мы делим силу на единицу поперечного сечения материала вместо всей его поверхности. Но вы не сможете рассчитать прочность на разрыв материала напрямую без предварительного знания его кривой напряжение-деформация.

σ = F/A – eq 1

• σ = напряжение
• F = сила
• A = площадь

Единица СИ прочности на разрыв — МПа (Н/мм²). По сути, прочность равна напряжению в точке разрушения материала, и эта точка разрушения может быть охарактеризована силой на единицу площади.

Каковы разные типы прочности на разрыв?

Существует несколько разных типов прочности на разрыв, но термин может означать то, что наиболее полезно для вас. Например, цифры, выработанные при стандартных условиях, будут наиболее полезны инженерам, желающим сравнить формулировки материалов или партии, или тем, кто пытается выяснить, будет ли материал хорош для конкретной задачи. Наиболее распространенные типы, используемые — это предел текучести, предельная прочность на разрыв и прочность на разрыв (breaking strength), и мы рассмотрим их подробнее ниже.

1. Предел текучести (Yield Strength)

Как упоминалось ранее, предел текучести — это точка, в которой начинается постоянная (или пластическая) деформация в материале. Для стали это после того, как она была деформирована за свой пропорциональный предел, обычно видимая как прямая линия на кривой напряжение-деформация. Для материала без четкой точки текучести, как алюминий, предел текучести сообщается как напряжение, совпадающее с 0.2% деформации. В большинстве случаев металлические детали проектируются для удержания напряжений в сервисной среде ниже предела текучести. В случае очень хрупких материалов, как керамика, они ломаются при очень малых деформациях и не текут вообще. Другие материалы, как эластомеры, могут растягиваться во много раз своей исходной длины без разрыва и показывают лишь небольшое количество постоянной деформации после снятия нагрузки.

2. Прочность на разрыв (Breaking Strength)

Также известная как прочность на fratture, это относится к точке, в которой материал больше не может нести никакой нагрузки и ломается. Это можно увидеть как конечную точку кривой напряжение-деформация, т.е. точку «ε» на диаграмме предела текучести выше. Точка разрыва также является точкой, используемой для измерения общего удлинения.

3. Предельная прочность (Ultimate Strength)

Это максимальное напряжение, которое материал может выдержать перед тем, как он ломается под растягивающей нагрузкой. Некоторые металлы будут испытывать деформационное упрочнение после прохождения своей точки текучести, и они будут продолжать деформироваться по мере увеличения напряжения, пока не достигнут предельной прочности на разрыв материала. Не все материалы, например пластики, будут иметь четко определенную предельную прочность на разрыв.

Какой материал имеет наивысшую прочность на разрыв?

Материал, имеющий наивысшую прочность на разрыв — графен. Графен имеет предельную прочность на разрыв примерно 130 ГПа, делая его сильнее углеродных нанотрубок, которые до недавнего времени имели наивысшую прочность на разрыв. Эти материалы намного сильнее сильнейшего элементарного металла, вольфрама, у которого предельная прочность на разрыв 0.98 ГПа, или слегка более сильного термически обработанного Inconel®, с предельной прочностью на разрыв 1.034 ГПа. Однако должно быть отмечено, что ни графен, ни углеродные нанотрубки не могут быть дешево массово произведены.

Какой материал имеет наименьшую прочность на разрыв?

Пластики склонны иметь очень низкие прочности на разрыв по сравнению с металлами и керамиками. Например, LDPE (полиэтилен низкой плотности) имеет прочность на разрыв 10 МПа. Определение материала с наименьшей прочностью на разрыв затруднено, так как материалы с низкой прочностью на разрыв имеют ограниченное практическое применение, конкретно для несущих нагрузки использований. Перечисление материалов на основе низкой прочности на разрыв не является обычной практикой.

Какое устройство используется для измерения прочности на разрыв?

Растягивающий тестер используется для измерения прочности на разрыв образца. Эта машина хватает тестовый кусок по каждому концу и применяет контролируемое количество растягивающей силы к нему, с постоянной скоростью. Машина автоматически регистрирует данные о приложенной нагрузке и смещении хватов для дальнейшего анализа.

Чтобы узнать больше, посмотрите нашу полную статью о машине для тестирования на растяжение.

Каковы применения прочности на разрыв?

Прочность на разрыв — это свойство материала и не имеет применения.

Каковы факторы, которые могут влиять на прочность на разрыв материала?

Прочность на разрыв может быть затронута различными факторами, такими как.

1. Температура: Прочность на разрыв материала обычно снижается, когда его температура повышается. Ниже комнатной температуры большинство материалов становятся немного сильнее, но они также становятся менее пластичными.
2. Рабочее упрочнение: Концепция всего процесса — пластически деформировать материал, чтобы сделать его тверже. Катая, моля, гнутя или растягивая металл, его кристаллическая структура проходит микроскопические изменения, которые увеличивают предел текучести и предельную прочность на разрыв, в то же время снижая его пластичность.
3. Добавки: Стекловолокно или углеродное волокно, добавленное к материалу, могут увеличить прочность на разрыв неметаллов, например нейлона.
4. Термическая обработка: Как и рабочее упрочнение, это также меняет микроструктуру металла и, в зависимости от типа обработки, может привести либо к увеличению, либо к уменьшению прочности на разрыв.
5. Дефекты: Поверхностные и внутренние дефекты могут снизить прочность на разрыв материала, так как они создают слабые точки, где трещины могут начаться.

Каковы два типа отказа прочности на разрыв?

Существует два основных типа отказа прочности на разрыв: хрупкий и вязкий.

1. Хрупкий отказ (Brittle Failure)

Хрупкий отказ происходит в основном с твердыми материалами, как чугун. Материал не будет сильно деформироваться перед тем, как внезапно сломается.

Чтобы узнать больше, посмотрите нашу статью о хрупком отказе

2. Вязкий отказ (Ductile Failure)

Вязкий отказ — это основной режим отказа прочности на разрыв для многих конструкционных сталей и более мягких материалов, как алюминий, и он постепенный, а не мгновенный. После того, как материал начинает течь, пластическая деформация продолжается, затем локализуется, производя «сужение», которое будет местом окончательного разделения материала.

Чтобы узнать больше, посмотрите нашу статью о вязком отказе

Часто задаваемые вопросы о прочности на разрыв

В чем разница между прочностью на разрыв и растягивающим напряжением?

Растягивающее напряжение материала — это количество силы на единицу площади, которое оно испытывает из-за нагрузки на растяжение, но прочность на разрыв — это либо его предел текучести, предельная, или разрушающая прочность.

В чем разница между прочностью на разрыв и пределом текучести?

Прочность на разрыв материала показывает, насколько хорошо он может сопротивляться нагрузкам на растяжение, приложенным к нему. Несколько конкретно определенных метрик прочности на разрыв ценны для инженеров: предел текучести, напряжение, при котором материал начинает пластически деформироваться, и предельная прочность на разрыв, часто называемая просто «прочностью на разрыв» для краткости, которая является максимальным напряжением, которое материал может удержать перед тем, как отказ становится неизбежным.

Какая лучшая прочность на разрыв для 3D-печати?

При проектировании 3D-напечатанных деталей материал выбирается на основе приложения, а не наоборот. Это также зависит от типа материала и направления и величины нагрузок. Например, если деталь нагружается только на сжатие или если она будет корпусом для электроники (где антистатические и влаго абсорбирующие свойства важнее), то прочность на разрыв не имеет большого значения. Если деталь будет подвергаться механической нагрузке, вам определенно понадобится знать прочность на разрыв.

Например, если вы проектируете 3D-напечатанную ABS-деталь, то было бы ошибкой использовать нормальные свойства ABS. Материал 3D-печати может иметь более низкую прочность на разрыв по сравнению с теоретической прочностью материала на основе используемой технологии 3D-печати. Многие листы данных материалов для 3D-напечатанных материалов покажут прочность на разрыв в разных направлениях внутри материала (обычно в направлениях Z и XY). Другие технологии 3D-печати, такие как SLM (селективное лазерное плавление), произведут детали с изотропной структурой, что означает, что их свойства равны во всех направлениях.

Kat de Naoum

Kat de Naoum — писатель, автор, редактор и специалист по контенту из Великобритании с 20+ летним опытом письма. У Kat есть опыт написания для различных производственных и технических организаций, и она любит мир инженерии. Помимо письма, Kat была паралигалом почти 10 лет, семь из которых в судостроительном финансировании. Она писала для многих публикаций, как печатных, так и онлайн. У Kat BA в английской литературе и философии, и MA в творческом письме от Университета Кингстон.

Читайте больше статей от Kat de Naoum