Выход (инжиниринг)

В материаловедении и инженерии предел текучести — это точка на кривой напряжения-деформации , которая указывает на предел упругого поведения и начало пластического поведения. Ниже предела текучести материал будет упруго деформироваться и вернется к своей первоначальной форме после приложенного напряжения снятия . После прохождения предела текучести некоторая часть деформации будет постоянной и необратимой и известна как пластическая деформация .

Предел текучести или предел текучести является свойством материала и представляет 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 усилий, которые могут быть приложены без возникновения остаточной деформации. Для большинства металлов, таких как алюминий и холоднодеформированная сталь , наблюдается постепенное начало нелинейного поведения и нет точного предела текучести. В таком случае предел текучести смещения (или испытательное напряжение ) принимается как напряжение, при котором происходит пластическая деформация 0,2%. Уступка – это постепенный отказ , который обычно не является катастрофическим , в отличие от окончательного провала .

Для пластичных материалов предел текучести обычно отличается от предела прочности на разрыв , который представляет собой несущую способность данного материала. Отношение предела текучести к пределу прочности на разрыв является важным параметром для применения такой стали в трубопроводах , и было обнаружено, что оно пропорционально показателю деформационного упрочнения . ^[1]

В механике твердого тела предел текучести можно определить через трехмерные главные напряжения ( $\sigma _{1},\sigma _{2},\sigma _{3}$ ) с поверхностью текучести или критерием текучести . Для различных материалов были разработаны различные критерии текучести.

Определения

Материал	Предел текучести (МПа)	Абсолютная сила (МПа)
АСТМ А36 Сталь	250	400
Сталь, API 5L X65 ^[2]	448	531
Сталь, высокопрочный сплав ASTM A514.	690	760
Стальные, предварительно напряженные пряди	1650	1860
Фортепианная проволока		1740–3300 ^[3]
Углеродное волокно (CF, CFK)		5650 ^[4]
Полиэтилен высокой плотности (HDPE)	26–33	37
Полипропилен	12–43	19.7–80
Нержавеющая сталь AISI 302 – холоднокатаная	520	860
Чугун 4,5% С, ASTM A-48 ^[5]	172
Titanium alloy (6% Al, 4% V)	830	900
Алюминиевый сплав 2014-T6	400	455
Медь 99,9% Cu	70	220
Мельхиор 10% Ni, 1,6% Fe, 1% Mn, остальное Cu	130	350
Латунь	200+ ~	550
Паучий шелк	1150 (??)	1400
шелкопряда Шелк	500
Арамид ( кевлар или тварон )	3620	3757
СВМПЭ ^[6]^[7]	20	35 ^[8]
Кость (конечность)	104–121	130
Нейлон, тип 6/6	45	75
Алюминий (отожженный)	15–20	40–50 ^[9]
Медь (отожженная)	33	210
Железо (отожженное)	80–100	350
Никель (отожженный)	14–35	140–195
Кремний (отожженный)	5000–9000
Тантал (отожженный)	180	200
Олово (отожженное)	9–14	15–200
Титан (отожженный)	100–225	240–370
Вольфрам (отожженный)	550	550–620

Часто бывает трудно точно определить текучесть из-за большого разнообразия кривых растяжения-деформации, демонстрируемых реальными материалами. Кроме того, существует несколько возможных способов определения доходности: ^[10]

Истинный предел эластичности: Наименьшее напряжение, при котором дислокации движутся. Это определение используется редко, поскольку дислокации движутся при очень малых напряжениях, и обнаружить такое движение очень сложно.
Предел пропорциональности: До этой величины напряжения напряжение пропорционально деформации ( закон Гука ), поэтому график зависимости напряжения от деформации представляет собой прямую линию, а градиент будет равен модулю упругости материала.
Предел упругости (предел текучести): За пределом упругости произойдет необратимая деформация. Таким образом, предел упругости — это точка наименьшего напряжения, в которой можно измерить остаточную деформацию. Для этого требуется ручная процедура загрузки и разгрузки, а точность критически зависит от используемого оборудования и навыков оператора. Для эластомеров , таких как резина, предел упругости намного превышает предел пропорциональности. Кроме того, точные измерения деформации показали, что пластическая деформация начинается при очень низких напряжениях. ^[11]^[12]
Предел текучести: Точка на кривой напряжения-деформации, в которой кривая выравнивается и начинает происходить пластическая деформация. ^[13]
Смещение предела текучести ( доказательство стресса ): Когда точку текучести нелегко определить на основе формы кривой растяжения-деформации, точку текучести со смещением определяют произвольно. Это значение обычно устанавливается на уровне 0,1% или 0,2% пластической деформации. ^[14] Значение смещения задается в виде нижнего индекса, например: $R_{\text{p0.1}}=310$ МПа или $R_{\text{p0.2}}=350$ МПа. ^[15] Для большинства практических инженерных целей $R_{\text{p0.2}}$ умножается на коэффициент запаса для получения более низкого значения точки текучести смещения. Высокопрочные стали и алюминиевые сплавы не имеют предела текучести, поэтому для этих материалов используется смещенный предел текучести. ^[14]
Верхний и нижний пределы текучести: Некоторые металлы, такие как мягкая сталь , достигают верхнего предела текучести, а затем быстро падают до более низкого предела текучести. Реакция материала линейна вплоть до верхнего предела текучести, но нижний предел текучести используется в проектировании конструкций как консервативное значение. Если металл подвергается нагрузке только до верхнего предела текучести и выше, могут появиться полосы Людерса . ^[16]

Использование в строительном проектировании

Податливые конструкции имеют меньшую жесткость, что приводит к увеличению прогибов и снижению прочности на изгиб. При снятии нагрузки конструкция будет необратимо деформирована и может иметь остаточные напряжения. Конструкционные металлы демонстрируют деформационное упрочнение, что означает, что предел текучести увеличивается после выгрузки из состояния текучести.

Тестирование

Испытание предела текучести включает в себя взятие небольшого образца с фиксированной площадью поперечного сечения, а затем его вытягивание с контролируемой, постепенно увеличивающейся силой, пока образец не изменит форму или не сломается. Это называется испытанием на растяжение. Продольную и/или поперечную деформацию регистрируют с помощью механических или оптических экстензометров.

Твердость при вдавливании примерно линейно коррелирует с пределом прочности для большинства сталей, но измерения одного материала не могут использоваться в качестве шкалы для измерения прочности другого. ^[17] Таким образом, испытание на твердость может быть экономичной заменой испытания на растяжение, а также обеспечивать локальные изменения предела текучести, например, вследствие операций сварки или формовки. В критических ситуациях часто проводится тестирование натяжения, чтобы исключить двусмысленность. Однако можно получить кривые растяжения-деформации с помощью процедур, основанных на вдавливании, при условии соблюдения определенных условий. Эти процедуры сгруппированы под термином « индентационная пластометрия» .

Укрепление механизмов

Существует несколько способов создания кристаллических материалов для повышения их предела текучести. Изменяя плотность дислокаций, уровень примесей, размер зерна (в кристаллических материалах), можно точно настроить предел текучести материала. Обычно это происходит из-за появления в материале дефектов, таких как примеси-дислокации. Для перемещения этого дефекта (пластического деформирования или податливости материала) необходимо приложить большее напряжение. Это приводит к более высокому пределу текучести материала. Хотя многие свойства материала зависят только от состава сыпучего материала, предел текучести также чрезвычайно чувствителен к обработке материалов.

Эти механизмы для кристаллических материалов включают

Упрочнение

При деформации материала будут возникать дислокации , что увеличивает их плотность в материале. Это увеличивает предел текучести материала, поскольку теперь для перемещения этих дислокаций через кристаллическую решетку необходимо прикладывать большее напряжение. Дислокации также могут взаимодействовать друг с другом, запутываясь.

Управляющая формула этого механизма такова:

\Delta \sigma _{y}=Gb{\sqrt {\rho }}

где $\sigma _{y}$ - предел текучести, G - модуль упругости при сдвиге, b - величина вектора Бюргерса , и $\rho$ – плотность дислокаций.

Укрепление твердым раствором

При легировании материала атомы примесей в низких концентрациях будут занимать положение решетки непосредственно под дислокацией, например, непосредственно под дополнительным полуплоским дефектом. Это снимает растягивающую деформацию непосредственно под дислокацией, заполняя пустое пространство решетки атомом примеси.

Взаимосвязь этого механизма выглядит следующим образом:

\Delta \tau =Gb{\sqrt {C_{s}}}\epsilon ^{\frac {3}{2}}

где $\tau$ напряжение сдвига , связанное с пределом текучести, $G$ и $b$ такие же, как в приведенном выше примере, $C_{s}$ это концентрация растворенного вещества и $\epsilon$ – деформация, возникающая в решетке из-за добавления примеси.

Упрочнение частиц/осадка

Где присутствие вторичной фазы увеличит предел текучести, блокируя движение дислокаций внутри кристалла. Линейный дефект, который при движении через матрицу сталкивается с небольшой частицей или осадком материала. Дислокации могут перемещаться через эту частицу либо путем сдвига частицы, либо с помощью процесса, известного как изгиб или звон, при котором вокруг частицы создается новое кольцо дислокаций.

Формула сдвига выглядит так:

\Delta \tau ={\frac {r_{\text{particle}}}{l_{\text{interparticle}}}}\gamma _{\text{particle-matrix}}

и формула поклона/звона:

\Delta \tau ={\frac {Gb}{l_{\text{interparticle}}-2r_{\text{particle}}}}

В этих формулах $r_{\text{particle}}\,$ - радиус частицы, $\gamma _{\text{particle-matrix}}\,$ - поверхностное натяжение между матрицей и частицей, $l_{\text{interparticle}}\,$ это расстояние между частицами.

Усиление границ зерен

Когда скопление дислокаций на границе зерен вызывает силу отталкивания между дислокациями. По мере уменьшения размера зерна отношение площади поверхности к объему зерна увеличивается, что приводит к большему накоплению дислокаций на краях зерна. Поскольку для перемещения дислокаций к другому зерну требуется много энергии, эти дислокации накапливаются вдоль границы и увеличивают предел текучести материала. Этот тип усиления, также известный как усиление Холла-Петча, определяется формулой:

\sigma _{y}=\sigma _{0}+kd^{-{\frac {1}{2}}}\,

где

\sigma _{0}

напряжение, необходимое для перемещения дислокаций,

k

является материальной константой, а

d

это размер зерна.

Теоретический предел текучести

Материал	Теоретическая прочность на сдвиг (ГПа)	Экспериментальная прочность на сдвиг (ГПа)
В	1.0	0.37
Ал	0.9	0.78
С	1.4	0.49
В	2.6	3.2
α-Fe	2.6	27.5

Теоретический предел текучести идеального кристалла значительно превышает наблюдаемое напряжение при начале пластического течения. ^[18]

То, что экспериментально измеренный предел текучести существенно ниже ожидаемого теоретического значения, можно объяснить наличием в материалах дислокаций и дефектов. Действительно, было показано, что усы с идеальной монокристаллической структурой и бездефектной поверхностью демонстрируют предел текучести, приближающийся к теоретическому значению. Например, было показано, что наноусы меди подвергаются хрупкому разрушению при давлении 1 ГПа. ^[19] значение, намного превышающее прочность объемной меди и приближающееся к теоретическому значению.

Теоретический предел текучести можно оценить, рассматривая процесс текучести на атомном уровне. В идеальном кристалле сдвиг приводит к смещению всей плоскости атомов на одно межатомное расстояние b относительно плоскости, расположенной ниже. Чтобы атомы могли двигаться, необходимо приложить значительную силу, чтобы преодолеть энергию решетки и переместить атомы в верхней плоскости над нижними атомами и в новый узел решетки. Приложенное напряжение, необходимое для преодоления сопротивления идеальной решетки сдвигу, представляет собой теоретический предел текучести τ _max .

Кривая смещения напряжения плоскости атомов изменяется синусоидально по мере того, как напряжение достигает пика, когда атом нажимается на атом ниже, а затем падает, когда атом скользит в следующую точку решетки. ^[18]

\tau =\tau _{\max }\sin \left({\frac {2\pi x}{b}}\right)

где $b$ – межатомное расстояние. Поскольку τ = G γ и dτ/dγ = G при малых деформациях (т. е. смещениях одиночных атомных расстояний), это уравнение принимает вид:

G={\frac {d\tau }{dx}}={\frac {2\pi }{b}}\tau _{\max }\cos \left({\frac {2\pi x}{b}}\right)={\frac {2\pi }{b}}\tau _{\max }

Для небольшого смещения γ=x/a, где a — расстояние между атомами в плоскости скольжения, это можно переписать как:

G={\frac {d\tau }{d\gamma }}={\frac {2\pi a}{b}}\tau _{\max }

Придание значения $\tau _{\max }$ τ _max равен:

\tau _{\max }={\frac {Gb}{2\pi a}}

Теоретический предел текучести можно аппроксимировать как $\tau _{\max }=G/30$ .

Удлинение предела текучести (YPE)

Во время испытаний на монотонное растяжение некоторые металлы, такие как отожженная сталь, демонстрируют отчетливый верхний предел текучести или задержку наклепа. ^[20] Эти явления испытаний на растяжение, при которых деформация увеличивается, но напряжение не увеличивается, как ожидалось, представляют собой два типа удлинения при пределе текучести.

Удлинение предела текучести (YPE) существенно влияет на удобство использования стали. В контексте испытаний на растяжение и инженерной кривой «напряжение-деформация» предел текучести представляет собой начальный уровень напряжения ниже максимального напряжения, при котором происходит увеличение деформации без увеличения напряжения. Эта характеристика характерна для некоторых материалов и указывает на наличие YPE. ^[20] Механизм YPE связан с диффузией углерода, а точнее с атмосферой Коттрелла .

YPE может привести к таким проблемам, как разрыв катушки, обрыв кромки, рифление, деформация подрамника, а также перекручивание или складки на катушке, что может повлиять как на внешний вид, так и на плоскостность. Поломки рулонов и кромок могут возникать как во время первоначальной, так и во время последующей обработки клиентом, а во время формовки возникают рифленые и растягивающие деформации. Изломы бобины, поперечные выступы на последовательных внутренних витках бухты, вызваны процессом намотки. ^[20]

Если эти условия нежелательны, важно, чтобы поставщики были проинформированы о необходимости предоставления соответствующих материалов. На наличие YPE влияют химический состав и методы обработки на прокатном стане, такие как дрессировка или дрессировочная прокатка, которые временно устраняют YPE и улучшают качество поверхности. Однако YPE может со временем вернуться из-за старения, которое держится при температуре обычно 200–400 °C. ^[20]

Несмотря на свои недостатки, YPE дает преимущества в определенных областях применения, таких как профилирование , и снижает упругость . Как правило, сталь с YPE хорошо поддается формованию. ^[20]

См. также

Ссылки

^ Весы, М.; Корнута, Ю.А.; Свитцнер, Н.; Велоо, П. (1 декабря 2023 г.). «Автоматический расчет параметров деформационного упрочнения на основе данных о растягивающем напряжении в сравнении с данными о деформации для низкоуглеродистой стали, демонстрирующей удлинение предела текучести» . Экспериментальные методы . 47 (6): 1311–1322. дои : 10.1007/s40799-023-00626-4 . ISSN 1747-1567 .
^ «ussteel.com» . Архивировано из оригинала 22 июня 2012 года . Проверено 15 июня 2011 г.
^ ASTM A228-A228M-14
^ «complore.com» . Архивировано из оригинала 19 июля 2011 года . Проверено 10 сентября 2010 г.
^ Бир, Джонстон и Девольф 2001 , с. 746.
^ «Технические паспорта продукции СВМПЭ» . Архивировано из оригинала 14 октября 2011 года . Проверено 18 августа 2010 г.
^ «unitex-deutschland.eu» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 25 марта 2012 года . Проверено 15 июня 2011 г.
^ matweb.com
^ AM Howatson, PG Lund и JD Todd, «Инженерные таблицы и данные», стр. 41.
^ Г. Дитер, Механическая металлургия , McGraw-Hill, 1986.
^ Флинн, Ричард А.; Троян, Пол К. (1975). Инженерные материалы и их применение . Бостон: Компания Houghton Mifflin. п. 61 . ISBN 978-0-395-18916-0 .
^ Барнс, Ховард (1999). «Предел текучести — обзор или «παντα ρει» — все течет?». Журнал механики неньютоновской жидкости . 81 (1–2): 133–178. дои : 10.1016/S0377-0257(98)00094-9 .
^ Росс 1999 , с. 56.
^ Jump up to: ^а ^б Росс 1999 , с. 59.
^ ИСО 6892-1:2009.
^ Дегармо, с. 377.
^ Павлина, Е.Ю.; Ван Тайн, CJ (2008). «Взаимосвязь предела текучести и прочности на разрыв с твердостью сталей» . Журнал материаловедения и производительности . 17 (6): 888–893. Бибкод : 2008JMEP...17..888P . дои : 10.1007/s11665-008-9225-5 . S2CID 135890256 .
^ Jump up to: ^а ^б Х., Кортни, Томас (2005). Механическое поведение материалов . Уэйвленд Пресс. ISBN 978-1577664253 . OCLC 894800884 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Рихтер, Гюнтер (2009). «Монокристаллические нановискеры сверхвысокой прочности, выращенные методом физического осаждения из паровой фазы». Нано-буквы . 9 (8): 3048–3052. Бибкод : 2009NanoL...9.3048R . CiteSeerX 10.1.1.702.1801 . дои : 10.1021/nl9015107 . ПМИД 19637912 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и «Удлинение предела текучести (YPE) – плюсы и минусы» . www.baileymetalprocessing.com . Проверено 16 июня 2024 г.

Библиография

Аваллоне, Юджин А. и Баумайстер III, Теодор (1996). Стандартный справочник Марка для инженеров-механиков (8-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-004997-0 .
Аваллоне, Юджин А.; Баумайстер, Теодор; Садег, Али; Маркс, Лайонел Симеон (2006). Стандартный справочник Марка для инженеров-механиков (11-е, иллюстрированное изд.). МакГроу-Хилл Профессионал. ISBN 978-0-07-142867-5 . .
Пиво, Фердинанд П.; Джонстон, Э. Рассел; Девольф, Джон Т. (2001). Механика материалов (3-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-365935-0 . .
Борези А.П., Шмидт Р.Дж. и Сайдботтом О.М. (1993). Передовая механика материалов , 5-е издание John Wiley & Sons. ISBN 0-471-55157-0
Дегармо, Э. Пол; Блэк, Джей Т.; Кохсер, Рональд А. (2003). Материалы и процессы в производстве (9-е изд.). Уайли. ISBN 978-0-471-65653-1 . .
Оберг Э., Джонс Ф.Д. и Хортон Х.Л. (1984). Справочник по машиностроению , 22-е издание. Промышленная пресса. ISBN 0-8311-1155-0
Росс, К. (1999). Механика твердого тела . Город: Альбион/Хорвуд Паб. ISBN 978-1-898563-67-9 .
Шигли, Дж. Э. и Мишке, Ч. Р. (1989). Машиностроительное проектирование , 5-е издание. МакГроу Хилл. ISBN 0-07-056899-5
Янг, Уоррен К. и Будинас, Ричард Г. (2002). Формулы Рорка для стресса и напряжения, 7-е издание . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-072542-3 .
Справочник инженера

[1] Весы, М.; Корнута, Ю.А.; Свитцнер, Н.; Велоо, П. (1 декабря 2023 г.). «Автоматический расчет параметров деформационного упрочнения на основе данных о растягивающем напряжении в сравнении с данными о деформации для низкоуглеродистой стали, демонстрирующей удлинение предела текучести» . Экспериментальные методы . 47 (6): 1311–1322. дои : 10.1007/s40799-023-00626-4 . ISSN 1747-1567 .

[2] «ussteel.com» . Архивировано из оригинала 22 июня 2012 года . Проверено 15 июня 2011 г.

[3] ASTM A228-A228M-14

[4] «complore.com» . Архивировано из оригинала 19 июля 2011 года . Проверено 10 сентября 2010 г.

[5] Бир, Джонстон и Девольф 2001 , с. 746.

[6] «Технические паспорта продукции СВМПЭ» . Архивировано из оригинала 14 октября 2011 года . Проверено 18 августа 2010 г.

[7] «unitex-deutschland.eu» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 25 марта 2012 года . Проверено 15 июня 2011 г.

[8] tweb.com

[9] AM Howatson, PG Lund и JD Todd, «Инженерные таблицы и данные», стр. 41.

[dieter-10] Г. Дитер, Механическая металлургия , McGraw-Hill, 1986.

[11] Флинн, Ричард А.; Троян, Пол К. (1975). Инженерные материалы и их применение . Бостон: Компания Houghton Mifflin. п. 61 . ISBN 978-0-395-18916-0 .

[barnes99-12] Барнс, Ховард (1999). «Предел текучести — обзор или «παντα ρει» — все течет?». Журнал механики неньютоновской жидкости . 81 (1–2): 133–178. дои : 10.1016/S0377-0257(98)00094-9 .

[13] Росс 1999 , с. 56.

[ross59-14] Jump up to: ^а ^б Росс 1999 , с. 59.

[15] ИСО 6892-1:2009.

[16] Дегармо, с. 377.

[17] Павлина, Е.Ю.; Ван Тайн, CJ (2008). «Взаимосвязь предела текучести и прочности на разрыв с твердостью сталей» . Журнал материаловедения и производительности . 17 (6): 888–893. Бибкод : 2008JMEP...17..888P . дои : 10.1007/s11665-008-9225-5 . S2CID 135890256 .

[H._2005-18] Jump up to: ^а ^б Х., Кортни, Томас (2005). Механическое поведение материалов . Уэйвленд Пресс. ISBN 978-1577664253 . OCLC 894800884 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[19] Рихтер, Гюнтер (2009). «Монокристаллические нановискеры сверхвысокой прочности, выращенные методом физического осаждения из паровой фазы». Нано-буквы . 9 (8): 3048–3052. Бибкод : 2009NanoL...9.3048R . CiteSeerX 10.1.1.702.1801 . дои : 10.1021/nl9015107 . ПМИД 19637912 .

[:0-20] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и «Удлинение предела текучести (YPE) – плюсы и минусы» . www.baileymetalprocessing.com . Проверено 16 июня 2024 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]