Объяснение прочности на разрыв:ключевые определения, важность, типы и примеры из реальной жизни

Для производителей прочность на разрыв является одним из первых факторов, которые необходимы при выборе подходящего материала для своей продукции. В этой статье мы подробно расскажем, что это такое, чем оно отличается от других аналогичных характеристик и как его рассчитать.

Что такое предел прочности?

Предел прочности материала на разрыв — это то, какую нагрузку или тяговое усилие он может выдержать на определенной площади, прежде чем он либо окончательно растянется, либо сломается. В то время как предел текучести — это точка непосредственно перед тем, как материал начинает растягиваться до такой степени, что он не может вернуться к своей первоначальной форме, предел прочности — это точка, в которой он ломается. Такой материал, как сталь, имеет высокую прочность на разрыв, но резиновая лента будет в самом низу шкалы. 

Для материалов, которые растягиваются предсказуемым образом (например, пружины), реакция на приложенную силу, ее «эластичность», будет зависеть от ее «линейной упругой зоны». Если сила находится в этой зоне, пружина вернется к своей первоначальной форме, как только сила исчезнет. В противном случае материал сломается или будет поврежден без возможности восстановления. Чем отличается растягивающая сила от других типов по направлению, можно увидеть на диаграмме ниже.

В чем важность проведения испытания на прочность на растяжение?

Испытания на растяжение используются для изучения прочностных свойств новых составов материалов. Он используется для проверки результатов термической обработки других процессов или для проверки соответствия большого количества материалов своим первоначальным спецификациям. Проверка свойств поступающего сырья является важной частью контроля процесса и предотвращения сбоев. Это зависит от того, проводит ли поставщик тестирование и клиент принимает его, или клиент решает проверить заявления поставщика о большом количестве материала.

На заводе-изготовителе деталей испытание прочности материалов на растяжение может быть этапом контроля процесса. Это помогает гарантировать, что материалы находятся в правильном состоянии с точки зрения термической обработки, цементации, отверждения или любого другого производственного этапа, который изменяет прочность и пластичность материала. В условиях исследований и разработок испытания на растяжение – это простой способ проверить, обладает ли предлагаемый состав характеристиками, необходимыми для нового применения или для улучшения существующего.

Испытания на растяжение могут проводиться на испытательных стержнях, отлитых по заданной форме или обработанных на станке из сырья. Их также можно изготовить из реальной отлитой или обработанной детали, если есть острая необходимость проверить свойства в одном участке большой детали.

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

Прочность на растяжение является важным фактором в 3D-печати, особенно из-за возможности направленного растяжения. Например, пластиковые детали, напечатанные на 3D-принтере с использованием технологии FDM (моделирование наплавлением), будут иметь меньшую прочность на разрыв вдоль оси Z, где ось Z относится к вертикальной высоте детали. Это связано с тем, что отдельные слои не полностью слиты друг с другом и контактируют друг с другом только на небольшой площади поверхности.

Во многих таблицах данных материалов, напечатанных на 3D-принтере, указывается предел прочности на разрыв в разных направлениях внутри материала (обычно в направлениях Z и XY). Другие технологии 3D-печати, такие как SLM (селективное лазерное плавление), позволяют производить детали с изотропной структурой, то есть их свойства одинаковы во всех направлениях.

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

Идеальная прочность на разрыв зависит от применения детали, используемого материала, а также величины и направления приложенных нагрузок. Например, если деталь нагружена только на сжатие, то предел прочности не имеет значения. Или, если деталь представляет собой корпус для электроники, то прочность на разрыв менее важна, чем антистатические свойства и влагопоглощение. При проектировании деталей, напечатанных на 3D-принтере, материал выбирается в зависимости от применения, а не наоборот. 

Важно ли определять предел прочности материалов, напечатанных на 3D-принтере?

Да, важно определить предел прочности материалов, напечатанных на 3D-принтере. Но только в том случае, если напечатанная на 3D-принтере деталь будет подвергаться механической нагрузке. Например, при проектировании детали из ABS, напечатанной на 3D-принтере, было бы ошибкой использовать обычные свойства ABS. Материал для 3D-печати может иметь более низкую прочность на разрыв по сравнению с теоретической прочностью на разрыв материала, основанной на используемой технологии 3D-печати.

Как рассчитать предел прочности материала на разрыв?

Чтобы правильно измерить предел прочности, мы делим силу на единицу площади поперечного сечения материала, а не на всю его поверхность. Но вы не сможете рассчитать прочность материала на разрыв напрямую, не зная предварительно его кривую растяжения-деформации.

σ =F/A – eq 1

• σ =стресс
• Ж =сила
• А =площадь

Единицей прочности на разрыв в системе СИ является МПа (Н/мм2). По сути, прочность равна напряжению в точке разрушения материала, и эту точку разрушения можно охарактеризовать силой на единицу площади.

Каковы различные типы прочности на разрыв?

Существует несколько различных типов прочности на разрыв, но этот термин может означать то, что наиболее полезно для вас. Например, цифры, полученные в стандартных условиях, будут наиболее полезны инженерам, желающим сравнить составы или партии материалов, или тем, кто пытается выяснить, подойдет ли материал для конкретной задачи. Наиболее распространенными типами являются предел текучести, предел прочности на разрыв и прочность на разрыв. Ниже мы рассмотрим их более подробно.

1. Предел текучести

Как упоминалось немного ранее, предел текучести — это точка, в которой в материале начинается постоянная (или пластическая) деформация. Для стали это когда она деформируется за пределы своего пропорционального предела, который обычно рассматривается как прямая линия на кривой напряжения-деформации. Для материала без четкого предела текучести, такого как алюминий, предел текучести указывается как напряжение, которое совпадает с деформацией 0,2%. В большинстве случаев металлические детали проектируются так, чтобы напряжения в рабочей среде оставались ниже предела текучести. В случае очень хрупких материалов, таких как керамика, они разрушаются при очень небольших деформациях и вообще не поддаются деформации. Другие материалы, например эластомеры, можно растягивать во много раз по сравнению с первоначальной длиной, не ломаясь, и после снятия нагрузки они демонстрируют лишь небольшую остаточную деформацию.

2. Разрывная сила

Также известная как прочность на излом, это точка, в которой материал больше не может выдерживать нагрузку и ломается. Это можно рассматривать как конечную точку кривой растяжения-деформации, т.е. точку “ε » на диаграмме предела текучести выше. Точка разрыва также используется для измерения общего удлинения.

3. Абсолютная сила

Это максимальное напряжение, которое может выдержать материал, прежде чем он сломается под растягивающей нагрузкой. Некоторые металлы подвергаются деформационному упрочнению после достижения предела текучести и продолжают деформироваться по мере увеличения напряжения, пока не достигнут предела прочности материала на растяжение. Не все материалы, например пластики, имеют четко определенный предел прочности на разрыв.

Какой материал имеет самую высокую прочность на разрыв?

Материалом с самой высокой прочностью на разрыв является графен. Графен имеет предел прочности на разрыв около 130 ГПа, что делает его прочнее, чем углеродные нанотрубки, которые до недавнего времени имели самый высокий предел прочности. Эти материалы намного прочнее, чем самый прочный элементный металл, вольфрам, предел прочности которого составляет 0,98 ГПа, или немного более прочный термообработанный Inconel® с пределом прочности на разрыв 1,034 ГПа. Однако следует отметить, что ни графен, ни углеродные нанотрубки не могут быть дешево произведены массово. 

Какой материал имеет наименьшую прочность на разрыв?

Пластмассы, как правило, имеют очень низкую прочность на разрыв по сравнению с металлами и керамикой. Например, ПВД (полиэтилен низкой плотности) имеет предел прочности 10 МПа. Определить материал с наименьшей прочностью на разрыв сложно, поскольку материалы с низкой прочностью на разрыв имеют ограниченное практическое применение, особенно для несущих нагрузок. Включение в список материалов, основанных на низкой прочности на разрыв, не является общепринятой практикой. 

Какое устройство используется для измерения прочности на растяжение?

Прибор для испытания на растяжение используется для измерения прочности образца на растяжение. Эта машина захватывает испытуемый образец с каждого конца и прикладывает к нему контролируемую величину растягивающего усилия с постоянной скоростью.  Машина автоматически записывает данные о приложенной нагрузке и смещении захватов для дальнейшего анализа.

Чтобы узнать больше, прочтите нашу полную статью о машине для испытаний на растяжение.

Каковы применения прочности на растяжение?

Предел прочности является свойством материала и не имеет применения.

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

На прочность на растяжение могут влиять различные факторы, например.

1. Температура :Предел прочности материала обычно снижается при повышении его температуры. При температуре ниже комнатной большинство материалов становятся немного прочнее, но при этом становятся менее пластичными.
2. Усиление работы :Вся концепция процесса заключается в пластической деформации материала, чтобы сделать его более твердым. При прокатке, ударе молотком, изгибе или растяжении металла его кристаллическая структура претерпевает микроскопические изменения, которые повышают предел текучести и предел прочности при растяжении, одновременно снижая его пластичность.
3. Добавки :добавление стекла или углеродного волокна в материал может повысить прочность на разрыв неметаллов, например нейлона.
4. Термическая обработка :Как и упрочнение, это также изменяет 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 материала на разрыв, поскольку они создают слабые места, где могут начаться трещины.

Каковы два типа нарушения прочности на растяжение?

Существует два основных типа разрушения прочности при растяжении:хрупкое и пластичное.

1. Хрупкий провал

Хрупкое разрушение происходит главным образом с твердыми материалами, такими как чугун. Материал не будет сильно деформироваться, прежде чем внезапно выйдет из строя.


Чтобы узнать больше, прочтите нашу статью о хрупком разрушении

2. Пластичный отказ

Пластическое разрушение является основным видом разрушения при растяжении для многих конструкционных сталей и более мягких материалов, таких как алюминий, и происходит постепенно, а не мгновенно. После того, как материал начинает поддаваться, пластическая деформация продолжается, а затем локализуется, образуя «шею», которая станет местом окончательного разделения материала.


Чтобы узнать больше, прочтите нашу статью о пластическом разрушении

Часто задаваемые вопросы о прочности на разрыв

В чем разница между прочностью на растяжение и напряжением на растяжение?

Растягивающее напряжение материала — это величина силы на единицу площади, которую он испытывает из-за растягивающей нагрузки, а предел прочности — это предел текучести, предел прочности или прочность на излом.

В чем разница между пределом прочности и пределом текучести?

Прочность материала на растяжение показывает, насколько хорошо он может противостоять приложенным к нему растягивающим нагрузкам. Несколько специально определенных показателей прочности на разрыв имеют ценность для инженеров:предел текучести, напряжение, при котором материал начинает пластически деформироваться, и предел прочности на разрыв, часто называемый просто «предел прочности» для краткости, который представляет собой максимальное напряжение, которое материал может выдержать, прежде чем разрушение станет неизбежным.

Какова наилучшая прочность на разрыв для 3D-печати?

При проектировании деталей, напечатанных на 3D-принтере, материал выбирается в зависимости от применения, а не наоборот. Это также зависит от типа материала, направления и величины нагрузок. Например, если деталь нагружается только на сжатие или это будет корпус для электроники (где важнее антистатические свойства и влагопоглощение), то прочность на разрыв не имеет большого значения. Если деталь будет подвергаться механическим нагрузкам, вам обязательно нужно знать предел прочности.

Например, если вы проектируете деталь из ABS, напечатанную на 3D-принтере, было бы ошибкой использовать обычные свойства ABS. Материал для 3D-печати может иметь более низкую прочность на разрыв по сравнению с теоретической прочностью на разрыв материала, основанной на используемой технологии 3D-печати. Во многих таблицах данных материалов, напечатанных на 3D-принтере, указана прочность на разрыв в разных направлениях внутри материала (обычно в направлениях Z и XY). Другие технологии 3D-печати, такие как SLM (селективное лазерное плавление), позволяют производить детали с изотропной структурой, то есть их свойства одинаковы во всех направлениях.

Кэт де Наум

Кэт де Наум — писатель, автор, редактор и специалист по контенту из Великобритании с более чем 20-летним писательским опытом. Кэт имеет опыт написания статей для различных производственных и технических организаций и любит мир техники. Помимо писательской деятельности, Кэт почти 10 лет работала помощником юриста, семь из которых занималась финансированием судов. Она писала для многих изданий, как печатных, так и онлайн. Кэт имеет степень бакалавра английской литературы и философии, а также степень магистра писательского мастерства в Кингстонском университете.

Прочтите другие статьи Кэт де Наум



Узнайте о 8 передовых технологиях 3D-печати и их применении SLS против DMLS:ключевые различия и сравнение производительности