Как силы растяжения и сжатия влияют на прочность металлов

Прочность металла играет важную роль в проектировании продуктов или структурных архитектур. Существуют разные элементы прочности металла, включая предел прочности, предел текучести, твердость и плотность. Силы растяжения и сжатия могут влиять на количество напряжения или давления, которое металл может выдержать до отказа, поэтому важно определить, какая прочность материала будет работать лучше в зависимости от требуемого применения.

Растяжение vs сжатие: краткое руководство

Ниже мы кратко описываем силы растяжения и сжатия в металлах, разбирая, как каждая работает и какие эффекты они могут иметь на различные металлы.

Сила растяжения в металлах

Всякий раз, когда металл растягивается, он находится под силой растяжения. Математически, напряжение растяжения равно сила/площадь. Максимальное напряжение, которое металл может выдержать, представляет его предел прочности.

Предел прочности можно дополнительно разделить на две части:

• Предел текучести: Когда металл подвергается внешней нагрузке на растяжение, он проходит эластическую и пластическую деформацию. Предел текучести обозначает силу растяжения, до которой металл может восстановить свою исходную форму после снятия силы.
• Конечный предел прочности: За точкой текучести металл продолжает показывать пластическую деформацию до точки перед началом сужения. Этот предел известен как конечный предел прочности. Кратко, он представляет максимальное напряжение, которое металл может выдержать без разрыва на два куска.

Сила сжатия в металлах

Сила сжатия представляет максимальное сжатие или давление, которое металл может выдержать без разрушения. Происходит уменьшение длины по сравнению с исходной мерой.

Существует шесть различных типов режимов разрушения при сжатии:

1. Потеря устойчивости (Buckling): Внезапное боковое изменение формы под осевой нагрузкой
2. Сдвиг (Shearing): Сдвиговой разрыв вдоль направления приложенной силы
3. Двойное бочковидное деформирование (Double barrelling): Образование двух бочек при сжатии высоких призматических тел без внешних зон
4. Бочковидное деформирование (Barrelling): Генерация выпуклой поверхности на внешней стороне цилиндра
5. Однородное сжатие (Homogeneous compression): Отсутствие трения на контактной поверхности
6. Сжатийная неустойчивость (Compressive instability): Отказ из-за смягчения металла при деформации

Широко принятый тест для определения предела прочности на сжатие — тест твердости по Моосу.

Различные металлы под действием сил растяжения и сжатия

Максимальные значения прочности на сжатие и растяжение варьируются между металлами. Некоторые металлы показывают исключительную прочность на растяжение под нагрузкой, тогда как другие хороши в выдерживании максимальной силы сжатия. Таким образом, сравнение двух металлов под растяжением и сжатием требует признания применения металла в первую очередь; только тогда становится легче сравнить его с другими металлами.

Диаграмма ниже сравнивает прочность, твердость и плотность различных металлов:

Сталь имеет более высокую прочность на растяжение и предел текучести, чем алюминий; однако алюминий легок и предлагает лучшее сопротивление коррозии, чем сталь. Таким образом, важно изучать параметры при рассмотрении требований применения.

Также металл может иметь высокую прочность на растяжение, но низкую на сжатие и наоборот. Например, прочность на сжатие чугуна больше его прочности на растяжение, но для мягкой стали — наоборот.

Хрупкие материалы, такие как чугун, содержат много пустот. Под прочностью на растяжение эти пустоты действуют как концентраторы напряжений, приводя к высокому распространению трещин через материал. Но под силой сжатия эти пустоты закрываются, обнуляя любую возможность распространения трещин.

С другой стороны, в вязких материалах трещины, образованные под нагрузкой, легко закрываются без распространения через материал. В результате они одинаково сильны в растяжении и сжатии; однако они склонны к отказу под сдвиговым напряжением.

Важность понимания материальных прочностей

Прочность на сжатие и растяжение — очень важные свойства металла в инженерном проектировании. В любом инженерном проекте главная цель — держать пластическую деформацию настолько малой, насколько возможно. В этом смысле модуль Юнга (обозначаемый как E) может рассматриваться как ключевой параметр в процессе выбора.

Модуль Юнга — еще один способ расчета степени деформации материала под продольным растяжением или сжатием. Он определяется как отношение между продольным напряжением и деформацией. Чем выше модуль Юнга, тем жестче материал, и тем меньше эластическая деформация для данной приложенной нагрузки.

Например, если мы построим дом из металла с низким модулем Юнга, он будет сильно дефлектировать под сжатием нагрузкой; более жесткий металл даст более желаемый отклик.

Современные шесты для прыжков с шестом — отличный пример. Для максимизации результата спортсмена шест должен быть сделан из легких материалов, но также должен накапливать эластическую деформацию при изгибе. Таким образом, эти шесты изготавливаются из стекловолокна (E = 15 ГПа) или смеси стекловолокна и углеродного волокна (E = 500 ГПа).

Модуль Юнга для некоторых наиболее распространенных металлов показан ниже:

Приобретите металлы для любого применения

Более двух десятилетий Industrial Metal Service предлагает новые, с завода металлы и верифицированные металлические остатки мелким владельцам металлических цехов и фабрикаторам в районе Сан-Франциско и за его пределами. Наш широкий ассортимент включает алюминий, титан, медь, латунь и специальные металлы вроде Inconel и Hastelloy. Для локальных клиентов воспользуйтесь нашими услугами доставки. Мы также можем отправлять по всей стране для тех, у кого нет преимущества локального поставщика металлов!