При проектировании и расчете металлических конструкций основными механическими характеристиками являются предел прочности, предел текучести и относительное удлинение. Данные параметры определяются при проведении испытаний на статическое растяжение.
Предел прочности и предел текучести
Эти величины характеризуют способность стали воспринимать и выдерживать внешние нагрузки, измеряются они в мегапаскалях (МПа), то есть в ньютонах на квадратный миллиметр сечения (Н/мм²).
Для их определения проводится испытание на статическое растяжение, в процессе которого регистрируется зависимость между прикладываемой нагрузкой и изменением линейных размеров образца (удлинением), на основе которой строится диаграмма растяжения.
Предел текучести соответствует значению нагрузки, при котором в материале начинают развиваться процессы пластической деформации. Это означает, что после снятия нагрузки образец уже не возвращается к своим первоначальным размерам. При дальнейшем растяжении происходит рост пластической деформации и увеличение нагрузки вплоть до достижения предела прочности (временного сопротивления). После этого начинается локальное утонение образца, сопровождающееся падением нагрузки, и его разрушение в итоге.
Относительное удлинение
После разрушения измеряются конечные линейные размеры образца, которые сравниваются с исходными. На основании этих данных определяется относительное удлинение, характеризующее пластические свойства стали, то есть её способность деформироваться без разрушения.
Данный параметр особенно важен для строительных и сварных конструкций, так как высокая пластичность позволяет металлу перераспределять напряжения и снижает риск внезапного хрупкого разрушения. Сталь с достаточным относительным удлинением, как правило, заметно деформируется ещё до разрушения, что позволяет заметить дефект конструкции до критического момента и предотвратить аварийную ситуацию. Низкие значения относительного удлинения свидетельствуют о склонности материала к хрупкому разрушению и ограничивают его применение в ответственных конструкциях.
Почему при расчёте конструкций используют предел текучести, а не предел упругости
На практике при расчёте металлических конструкций в качестве основного расчётного параметра используется предел текучести, а не предел упругости. Это связано с тем, что предел упругости соответствует началу малых, полностью обратимых деформаций, которые практически не оказывают влияния на работоспособность конструкции при эксплуатационных нагрузках.
Предел текучести, в свою очередь, показывает момент перехода материала в состояние пластической деформации. Именно этот рубеж считается критическим с точки зрения надёжности конструкции: его превышение приводит к необратимым изменениям формы элементов, перераспределению усилий и, как следствие, к потере расчётных эксплуатационных характеристик. Использование предела текучести в расчётах позволяет задать безопасный уровень напряжений и обеспечить необходимый запас прочности конструкции.
Пример для наглядного понимания
Для более простого понимания описанных процессов можно привести пример пружины, работающей на растяжение. Мы растягиваем пружину — она удлиняется, отпускаем — пружина возвращается в исходное состояние. Это стандартное поведение упругих материалов до преодоления предела текучести.
Если растянуть пружину сильнее, то после снятия нагрузки она не вернётся в исходное состояние, значит, предел текучести был достигнут. При дальнейшем растяжении в какой-то момент пружина разрывается — это означает, что предел прочности был преодолён.
Вывод
При экспертизе, оценке качества металла и его пригодности для использования в конструкциях обязательно должна учитываться совокупность трёх параметров механических характеристик, которые определяются только при лабораторных испытаниях и не могут быть определены портативными переносными устройствами.