Предел прочности на растяжение

Предельная прочность на растяжение (также называемая UTS, прочностью на растяжение, TS, пределом прочности или ${\displaystyle F_{\text{tu}}}$ в обозначениях) — это максимальное напряжение, которое может выдержать материал при растяжении или вытягивании до разрыва. У хрупких материалов предел прочности на растяжение близок к пределу текучести, тогда как у пластичных материалов предел прочности на растяжение может быть выше.

Предел прочности на растяжение обычно находится путем проведения испытания на растяжение и регистрации инженерного напряжения в зависимости от деформации. Самая высокая точка кривой напряжение-деформация является пределом прочности на растяжение и имеет единицы напряжения. Эквивалентная точка для случая сжатия, а не растяжения, называется пределом прочности на сжатие.

Прочность на растяжение редко имеет какое-либо значение при проектировании пластичных элементов, но она важна для хрупких элементов. Она сведена в таблицу для распространенных материалов, таких как сплавы, композитные материалы, керамика, пластик и дерево.

Определение

Предел прочности материала на растяжение является интенсивным свойством, поэтому его значение не зависит от размера испытываемого образца. Однако, в зависимости от материала, он может зависеть от других факторов, таких как подготовка образца, наличие или отсутствие дефектов поверхности, а также температура испытательной среды и материала.

Некоторые материалы ломаются очень резко, без пластической деформации, в так называемом хрупком разрушении. Другие, более пластичные, включая большинство металлов, испытывают некоторую пластическую деформацию и, возможно, сужение перед разрушением.

Прочность на растяжение определяется как напряжение, которое измеряется как сила на единицу площади. Для некоторых неоднородных материалов (или для собранных компонентов) она может быть представлена ​​просто как сила или как сила на единицу ширины. В Международной системе единиц (СИ) единицей является паскаль (Па) (или кратное ему, часто мегапаскали (МПа), используя префикс СИ мега); или, что эквивалентно паскалям, ньютоны на квадратный метр (Н/м2). Обычная единица измерения в Соединенных Штатах — фунты на квадратный дюйм (lb/in2 или psi). Килофунты на квадратный дюйм (ksi или иногда kpsi) равны 1000 psi и обычно используются в Соединенных Штатах при измерении прочности на растяжение.

Пластичные материалы

Многие материалы могут демонстрировать линейное упругое поведение, определяемое линейным соотношением напряжения и деформации, как показано на рисунке 1 до точки 3. Упругое поведение материалов часто распространяется на нелинейную область, представленную на рисунке 1 точкой 2 («предел текучести»), до которой деформации полностью восстанавливаются после снятия нагрузки; то есть образец, нагруженный упруго при растяжении, удлинится, но вернется к своей первоначальной форме и размеру при разгрузке. За пределами этой упругой области для пластичных материалов, таких как сталь, деформации являются пластичными. Пластически деформированный образец не возвращается полностью к своему первоначальному размеру и форме при разгрузке. Для многих применений пластическая деформация неприемлема и используется в качестве проектного ограничения.

После предела текучести пластичные металлы проходят период деформационного упрочнения, в котором напряжение снова увеличивается с ростом деформации, и они начинают образовывать шейку, поскольку площадь поперечного сечения образца уменьшается из-за пластического течения. В достаточно пластичном материале, когда шейка становится существенной, это вызывает инверсию инженерной кривой напряжения-деформации (кривая A, рисунок 2); это происходит потому, что инженерное напряжение рассчитывается, предполагая исходную площадь поперечного сечения до образования шейки. Точка инверсии является максимальным напряжением на инженерной кривой напряжения-деформации, а координата инженерного напряжения этой точки является пределом прочности на растяжение, заданным точкой 1.

Предел прочности на растяжение не используется при проектировании пластичных статических элементов, поскольку практика проектирования диктует использование предела текучести. Однако он используется для контроля качества из-за простоты испытаний. Он также используется для приблизительного определения типов материалов для неизвестных образцов.

Предел прочности на растяжение является общепринятым инженерным параметром при проектировании элементов из хрупких материалов, поскольку такие материалы не имеют предела текучести.

Тестирование

Обычно испытание включает в себя отбор небольшого образца с фиксированной площадью поперечного сечения, а затем его растяжение с помощью тензометра с постоянной скоростью деформации (изменение базовой длины, деленное на начальную базовую длину) до тех пор, пока образец не разорвется.

При испытании некоторых металлов твердость при вдавливании линейно коррелирует с пределом прочности. Это важное соотношение позволяет проводить экономически важные неразрушающие испытания объемных поставок металла с помощью легкого, даже портативного оборудования, такого как ручные твердомеры Роквелла. Эта практическая корреляция помогает обеспечению качества в металлообрабатывающей промышленности выйти далеко за рамки лабораторных и универсальных испытательных машин.

Типичные значения прочности на растяжение

^a Many of the values depend on manufacturing process and purity or composition.

^b Multiwalled carbon nanotubes have the highest tensile strength of any material yet measured, with one measurement of 63 GPa, still well below one theoretical value of 300 GPa. The first nanotube ropes (20 mm in length) whose tensile strength was published (in 2000) had a strength of 3.6 GPa. The density depends on the manufacturing method, and the lowest value is 0.037 or 0.55 (solid).

^c The strength of spider silk is highly variable. It depends on many factors including kind of silk (Every spider can produce several for sundry purposes.), species, age of silk, temperature, humidity, swiftness at which stress is applied during testing, length stress is applied, and way the silk is gathered (forced silking or natural spinning). The value shown in the table, 1,000 MPa, is roughly representative of the results from a few studies involving several different species of spider however specific results varied greatly.

^d Human hair strength varies by ethnicity and chemical treatments.

Типичные свойства отожженных элементов