Введение

Явление деформации из-за структурных напряжений, наука о текучести материалов.

В материаловедении и инженерии, предел текучести – это точка на диаграмме "напряжение-деформация", которая указывает на границу упругого поведения и начало пластического поведения. Ниже предела текучести материал будет деформироваться упруго и вернется к своей первоначальной форме после снятия приложенного напряжения. После превышения предела текучести некоторая часть деформации станет постоянной и необратимой, что называется пластической деформацией. Предел прочности при текучести или напряжение текучести – это характеристика материала, представляющая собой напряжение, соответствующее пределу текучести, при котором материал начинает пластически деформироваться. Предел текучести часто используется для определения максимально допустимой нагрузки на механический компонент, поскольку он представляет собой верхний предел сил, которые можно приложить без возникновения остаточной деформации. В некоторых материалах, таких как алюминий, наблюдается постепенное начало нелинейного поведения и отсутствует четко выраженный предел текучести. В таких случаях условный предел текучести (или напряжение доказательства) принимается за напряжение, при котором происходит 0,2% пластической деформации. Текучесть – это постепенный режим разрушения, который обычно не является катастрофическим, в отличие от окончательного разрушения. В механике твердого тела предел текучести может быть задан с точки зрения трехмерных главных напряжений с использованием поверхности текучести или критерия текучести. Для различных материалов разработаны различные критерии текучести.

Определение

Материал Предел текучести (МПа) Предел прочности (МПа) Сталь ASTM A36 250 400 Сталь, API 5L X65 448 531 Сталь, высокопрочный сплав ASTM A514 690 760 Сталь, преднапряженные нити 1650 1860 Пианино 1740–3300 Углеродное волокно (CF, CFK) 5650 Полиэтилен высокой плотности (HDPE) 26–33 37 Полипропилен 12–43 19.7–80 Нержавеющая сталь AISI 302 – холоднокатаная 520 860 Чугун 4,5% C, ASTM A 48 172 Титановый сплав (6% Al, 4% V) 830 900 Алюминиевый сплав 2014 T6 400 455 Медь 99,9% Cu 70 220 Сплав медно-никелевый (10% Ni, 1.6% Fe, 1% Mn, остальное Cu) 130 350 Латунь 200+ ~ 550 Шелк паука 1150 (??) 1400 Шелк тутового шелкопряда 500 – Арамид (Кевлар или Тварон) 3620 3757 UHMWPE 20 35 Кость (конечность) 104–121 130 Найлон, тип 6/6 45 75 Алюминий (отпущенный) 15–20 40–50 Медь (отпущенная) 33 210 Железо (отпущенное) 80–100 350 Никель (отпущенный) 14–35 140–195 Кремний (отпущенный) 5000–9000 – Тантал (отпущенный) 180 200 Олово (отпущенное) 9–14 15–200 Титан (отпущенный) 100–225 240–370 Вольфрам (отпущенный) 550 550–620

Часто бывает трудно точно определить предел текучести из-за широкого разнообразия диаграмм "напряжение-деформация", демонстрируемых реальными материалами. Кроме того, существует несколько возможных способов определения предела текучести:

Истинный предел упругости Наименьшее напряжение, при котором происходит перемещение дислокаций. Это определение редко используется, поскольку дислокации перемещаются при очень низких напряжениях, и обнаружить такое перемещение очень сложно. Предел пропорциональности До этого уровня напряжения напряжение пропорционально деформации (закон Гука), поэтому диаграмма "напряжение-деформация" является прямой линией, а ее наклон равен модулю упругости материала. Предел упругости (предел текучести) После превышения предела упругости происходит остаточная деформация. Следовательно, предел упругости – это наименьшая точка напряжения, при которой можно измерить остаточную деформацию. Для этого требуется ручная процедура загрузки-разгрузки, и точность критически зависит от используемого оборудования и квалификации оператора. Для эластомеров, таких как резина, предел упругости значительно выше, чем предел пропорциональности. Кроме того, точные измерения деформации показали, что пластическая деформация начинается при очень низких напряжениях. Точка текучести Точка на диаграмме "напряжение-деформация", в которой кривая выравнивается и начинается пластическая деформация. Условный предел текучести (напряжение течения) Когда точку текучести нельзя легко определить по форме диаграммы "напряжение-деформация", условный предел текучести определяется произвольно. Значение для этого обычно устанавливается на уровне 0,1% или 0,2% пластической деформации. Значение условного предела текучести указывается в виде нижнего индекса, например, МПа или МПа. Для большинства практических инженерных расчетов умножается на коэффициент запаса прочности для получения более низкого значения условного предела текучести. Высокопрочные стали и алюминиевые сплавы не имеют четко выраженной точки текучести, поэтому для этих материалов используется условный предел текучести.

Использование в строительной технике

Пластично деформированные конструкции обладают меньшей жесткостью, что приводит к увеличению прогибов и снижению устойчивости к потере устойчивости. После снятия нагрузки структура останется необратимо деформированной и может содержать остаточные напряжения. Инженерные металлы демонстрируют эффект упрочнения, что означает увеличение предела текучести после разгрузки из пластически деформированного состояния.

Испытания

Испытание на предел текучести включает в себя взятие небольшого образца с фиксированной площадью поперечного сечения и последующее растяжение его контролируемой, постепенно возрастающей силой до изменения формы или разрушения. Это называется испытанием на растяжение. Продольная и/или поперечная деформация регистрируется с помощью механических или оптических экстенсометров. Твердость по вдавливанию приблизительно линейно коррелирует с прочностью на растяжение для большинства сталей, однако результаты измерений для одного материала нельзя использовать для оценки прочности другого. Испытание твердости может служить экономичной альтернативой испытанию на растяжение, а также позволяет выявлять локальные изменения предела текучести, возникающие, например, в результате сварки или формовки. В критических случаях часто проводят испытания на растяжение для устранения неоднозначности. Тем не менее, при соблюдении определенных условий возможно получение диаграмм "напряжение-деформация" на основе процедур, связанных с вдавливанием. Эти процедуры объединяются под термином "индентационная пластометрия".