Прежде всего – договоримся о терминах.
Прочность не является отвлеченным термином – прочностью принято называть способность некоего объекта сохранять исходное состояние под внешним физическим воздействием, другим словом – сопротивляться деформации и разрушающему влиянию. Пределом называют границу, в рамках которой что-либо существует. Таким образом, пределом прочности можно назвать граничные условия, при которых объект сохраняет свою целостность во времени. Именно поэтому предел прочности другими словами называют "временно́е сопротивление", актуализируя способность твердых тел противостоять нарушению характерного своеобразия, что, в свою очередь, потребовало разработать методологию выявления детерминированности внутренних свойств и сформулировать перечень процессов, влияющих на качественное изменение целостности, структуры и формы заданного объекта под воздействием внешних сил.
Закономерности поведения материалов под нагрузкой, а также методы инженерных расчетов надежности изучает сопромат – наука о механической деформации и напряженных состояниях деталей, материалов, элементов сооружений. Пределом прочности (ПП) называется граничная величина механического напряжения в твердом теле, выход за рамки которой сокрушит деталь из конкретного материала.
Механическими свойствами называют параметры, определяющие специфику поведения материала под внешним воздействием механических сил. К базовым механическим параметрам материала относятся:
- предел прочности (временно́е сопротивление);
- предел текучести;
- предел упругости;
- относительное удлинение/ сужение;
- усталостная прочность;
- ударная вязкость;
- твердость.
ПП рассчитывается как отношение максимального усилия, которое без разрушения способен выдержать образец – к исходной (до начала эксперимента) площади его поперечного сечения. Значение ПП для конкретного материала зависит от внешних условий (гидростатического давления, при котором передача давления от места приложения нагрузки не будет мгновенной), наличия агрессивной среды и др.).
Различают:
- временно́е сопротивление – условное напряжение (отношение силы к площади поперечного сечения образца) – как наибольшая величина нагрузки перед сокрушением образца;
- ПП – временно́е сопротивление образца, разрушающегося без локальной трансформации площади поперечного сечения в зоне разрушения (без истончения/ расплющивания). ПП является базовой характеристикой для хрупких материалов, разрушающихся при малых пластичных деформациях;
- статический ПП – критическая величина непрерывной механической нагрузки, превышение которой сокрушает деталь/ предмет из заданного материала;
- динамический ПП – пороговое значение переменного (ударного) механического воздействия, перекрытие которого разрушит тело из заданного материала;
- ПП при сжатии – критическая величина механического воздействия, превышение которой (за установленный промежуток времени) объект из заданного материала разрушится или недопустимо деформируется;
- ПП при растягивании – значение механической нагрузки, величина которой приведет к расколу или разрыву образца;
- ПП при кручении – предельная величина касательных напряжений, возникающих при кручении детали в опасных сечениях, разрушающая материал/ деталь;
- ПП при изгибе зависит от физического, химического и фракционного состава материала и свойств слоев образцов.
В процессе достижения предела прочности материалы переживают упругую или пластическую деформацию – изменение формы/ размеров материала под действием внешних сил. Упругие деформации исчезают по окончании действия сил, а пластические меняют исходную форму материала за счет необратимых перемещений атомов (приводящих к изменению формы) отдельных зерен материала и их расположения в пространстве.
При деформировании твердого тела внутри него развиваются внутренние силы. Величину сил, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца, называют напряжением (1кгс/мм2=10 МПа).
Нагрузки на кривой растяжения (Рупр, Рт, Рmax, Рк) служат для определения основных характеристик прочности (напряжений): предела упругости, физического предела текучести, временного сопротивления (предела прочности), истинного сопротивления разрушению. В прикладных расчетах вместо ПП используется условный предел текучести.
При растяжении пластичных материалов они удлиняются с уменьшением поперечного сечения, которую сложно определять онлайн в процессе исследования, поэтому при расчете предела упругости, предела текучести и временного сопротивления пользуются условными значениями напряжения, принимая начальную площадь поперечного сечения за константу. Истинное напряжение рассчитывают исключительно для получения значения сопротивления разрушению.
Временное сопротивление (предел прочности) σв – характеризует максимальную нагрузку, предшествующую разрушению:
где Рmax – максимальная нагрузка, предшествующая разрушению, (H).
Временное сопротивление (предел прочности) характеризует допустимую нагрузку, предшествующую разрушению.
Истинное сопротивление разрушению (Sk) – величина напряжения с учетом изменения площади сечения, предшествующая мгновению, в которое материал разрушается:
На этих терминах базируется теория надежности и безопасности и все инженерные расчеты при проектировании, создании и в процессе эксплуатации технических объектов.
Для изучения надежности разработаны стандартные алгоритмы приготовления конструкционных материалов; для исключения влияния размеров и форм образцов на результаты испытаний, стандартизованы методики их формирования, а также форма и размеры; методики приложения статических и динамических нагрузок (сжатие, растяжение, изгиб, раскол, удар, кручение и пр.); оборудование/ машины/ приборы/ механизмы, их создающие; физические условия исследований (температура, влажность, давление или вакуум, количество точек и скорость нагружения и др.); оговорены пределы точности измерений, методы инженерных расчетов и обработки полученных данных.
Эти требования, как и правила технической и электрической безопасности, основаны на многолетнем опыте и многочисленных исследованиях. Их соблюдение гарантирует воспроизводимость и достоверность результатов, что способствует повышению надежности технических объектов и обеспечению безопасности человеческой цивилизации.
Для изучения предела прочности материалы подвергают разнообразным механическим испытаниям как посредством применения 3D моделирования, так и в специальных лабораториях.
При испытании строительных материалов, деталей машин и механизмов на предельную прочность предлагаем применить наше сертифицированное оборудование:
- Машины испытательные универсальные МИМ (предел прочности при сжимающей нагрузке и растяжении);
- Прессы гидравлические МИП для выявления предельной нагрузки на сжатие, растяжение и раскол;
- Копры маятниковые МИК для изучения динамических пределов прочности;
- Муфельные печи для испытания образцов строительных материалов при повышенных температурах;
- Дополнительное оборудование для изучения прочностных и пластичных характеристик локализируемых зон испытуемых образцов.