- Предельная прочность на растяжение (UTS): определение, принцип работы, расчет и пример
- Что такое предел прочности при растяжении?
- Измерение прочности при растяжении
- Значение предельного растягивающего напряжения в материалах
- По какой формуле рассчитать предел прочности при растяжении?
- Как рассчитать предел прочности при растяжении?
- Что такое единица предела прочности при растяжении?
- Как измеряется предельное растягивающее напряжение?
- Примеры предельного напряжения растяжения различных материалов
- Какие факторы могут повлиять на предельное растягивающее напряжение материала?
- Влияют ли размер и форма образца материала на предельное напряжение растяжения?
- Чем предельное напряжение при растяжении отличается от предела прочности при растяжении?
- Как кривая напряжения-деформации связана с пределом прочности при растяжении?
- Как предельное растягивающее напряжение связано с 3D-печатью?
Предельная прочность на растяжение (UTS): определение, принцип работы, расчет и пример
Предел прочности на растяжение — это мера нагрузки, которую можно приложить к материалу до того, как он разрушится.
Прочность материала на растяжение измеряется с помощью разрывной машины, которая прикладывает тянущую нагрузку к испытательному образцу до тех пор, пока он не сломается.
Скорость удлинения и нагрузка от приложенной силы могут быть использованы для расчета свойств материала.
Предел прочности материала на растяжение можно найти, разделив усилие, необходимое для разрыва материала, на его первоначальную площадь поперечного сечения.
В этой статье будет определен предел прочности при растяжении, как он работает, его расчеты и приведены некоторые примеры.
Что такое предел прочности при растяжении?
Предельная прочность на растяжение – это точка, при которой материал разрушается. Прочность – это мера способности материала сопротивляться приложенной нагрузке.
Однако материал сначала будет деформироваться упруго, а затем пластически, прежде чем, наконец, разорвется на две или более частей.
Предельная прочность на растяжение — это сила, которую выдерживает материал, прежде чем он разорвется на две или более частей.
Предел прочности при растяжении также известен как предел прочности при растяжении.
Иногда предел прочности при растяжении может быть записан как аббревиатура «UTS» или «TS».
Все термины используются для описания одного и того же свойства, которое представляет собой предельное растягивающее напряжение, испытываемое перед полным разрушением материала.
Измерение прочности при растяжении
Чтобы рассчитать предел прочности материала при растяжении, необходимо знать площадь поперечного сечения и приложенную силу. Как испытанное напряжение, так и предел прочности материала на растяжение рассчитываются по формуле:
Напряжение (или) Сила = Сила / Площадь
Единственная разница заключается в том, что прочность — это нагрузка, приложенная для разрушения материала, тогда как напряжение — это приложенная нагрузка без разрушения.
Значение предельного растягивающего напряжения в материалах
Прочность материала на растяжение имеет большое значение, поскольку она указывает на способность материала сопротивляться деформации.
В таких отраслях, как например строительство подвесных мостов, используемые материалы должны быть устойчивыми к деформации. Определив предельное растягивающее напряжение материала, можно выбрать подходящие материалы для данной конструкции.
По какой формуле рассчитать предел прочности при растяжении?
Формула предельной прочности на растяжение:
Сила = сила / площадь
Сила представляет собой нагрузку, необходимую для разрушения материала, а площадь представляет собой площадь поперечного сечения испытуемого образца до деформации.
Формула предельного напряжения при растяжении такая же, как и формула прочности при растяжении. Однако напряжение представляет собой количество силы, прикладываемой к площади, а прочность — это сила, прикладываемая для разрушения образца на единицу площади.
Как рассчитать предел прочности при растяжении?
Испытание на растяжение проводится для расчета предела прочности при растяжении.
Сначала изготавливается образец для испытаний в форме «гантели», чтобы убедиться, что деталь ломается посередине.
Затем измеряют и записывают поперечное сечение образца. После этого деталь загружается в машину для испытаний на растяжение.
Машина будет прикладывать нагрузку до тех пор, пока образец не выйдет из строя. Большинство современных тестеров на растяжение могут регистрировать приложенную силу и использовать поперечное сечение для автоматического отображения прочности на растяжение после завершения испытания.
Если нет, то силу и площадь поперечного сечения можно подставить в формулу:
Сила = сила / площадь
Что такое единица предела прочности при растяжении?
Единицей прочности на растяжение является сила на единицу площади, которая равна фунтам на квадратный дюйм (PSI) в имперской системе.
В метрической системе используются ньютоны на квадратный метр (Н/м2). Однако ньютоны на квадратный метр заменяются паскалями (Па), оба имеют одинаковое значение, отличаясь только названием.
Как измеряется предельное растягивающее напряжение?
Предельное растягивающее напряжение измеряет силу, необходимую для разрыва материала, и выражается как сила, необходимая на единицу площади.
Предельное растягивающее напряжение является одним из наиболее фундаментальных механических свойств материала. Измерение прочности материала на растяжение определяет его пригодность для выбранного применения.
Примеры предельного напряжения растяжения различных материалов
Ниже перечислены металлы, которые обычно испытывают на растяжение:
1. Сталь
Сталь представляет собой смесь железа (99%) и углерода (1%), которая придает прочность и твердость основному железному металлу.
Стали имеют предел прочности при растяжении в диапазоне 330–480 МПа. Сталь является одним из наиболее часто используемых металлов в мире и в основном применяется в строительных конструкциях и конструкционных деталях транспортных средств.
2. Металл
Металлы обычно определяются как любой элемент, который имеет металлическую атомную связь. Металлы могут иметь различные свойства: от мягких и ковких до жестких и прочных. Это позволяет использовать металлы для различных целей.
Диапазон прочности металлов на растяжение составляет от 220 МПа (медь) до 900 МПа (титан).
3. Алюминий
Алюминий также является одним из наиболее распространенных металлов из-за его высокого отношения прочности к весу и низкой стоимости.
Благодаря этим свойствам алюминий используется во многих авиационных и аэрокосмических целях. Алюминий может достигать прочности около 100 МПа.
4. Латунь
Латунь представляет собой смесь меди и цинка. Латунь очень проводящая; он также податлив, что позволяет легко формировать сложные профили.
Эти свойства делают латунь пригодной для использования в сантехнике и электротехнике. Латунь имеет предел прочности около 250 МПа.
5. Титан
Титан — это металл серебра, встречающийся в природе. У него самое высокое отношение прочности к весу среди всех металлов, но его очень трудно обрабатывать, что делает его дорогим.
Титан также является биосовместимым. Это позволяет использовать титан в медицине и авиации. Титан имеет предел прочности на разрыв 900 МПа.
Какие факторы могут повлиять на предельное растягивающее напряжение материала?
Самой большой переменной, влияющей на предел прочности материала при растяжении, является температура материала во время испытаний. Однако есть еще три фактора, влияющие на прочность на растяжение:
- Молекулярная структура
- Состав материала
- Ошибки измерения
Влияют ли размер и форма образца материала на предельное напряжение растяжения?
Нет, размер и форма испытуемого образца не влияют на предел прочности материала при растяжении. Размер образца не имеет значения, так как поперечное сечение, используемое в расчетах прочности на растяжение, учитывает различия в размерах. Использование поперечного сечения в расчетах прочности на растяжение сводит на нет любое влияние формы испытуемого образца на результат испытания.
Чем предельное напряжение при растяжении отличается от предела прочности при растяжении?
Растягивающее напряжение – это сила, приходящаяся на единицу площади материала в любой момент времени.
Прочность – это предел, при котором сила на единицу площади достигает максимума и материал разрушается. И растягивающее напряжение, и прочность рассчитываются по формуле сила, деленная на площадь.
Однако предел прочности при растяжении является пределом силы на единицу площади до того, как материал разрушится.
Как кривая напряжения-деформации связана с пределом прочности при растяжении?
Кривая напряжение-деформация представляет собой график силы, приложенной к деформации, испытываемой материалом во время испытания на растяжение.
Точка, в которой кривая уменьшается при напряжении, используется для определения предела прочности при растяжении по кривой напряжение-деформация.
Как предельное растягивающее напряжение связано с 3D-печатью?
Предельное растягивающее напряжение материала является более важным фактором в 3D-печати по сравнению с большинством других методов производства, поскольку предельное растягивающее напряжение варьируется в большей степени.
Такая большая вариация является результатом того, что 3D-принтеры печатают слоями, что делает материал анизотропным.
Другими факторами, влияющими на предельное растягивающее напряжение, являются процент заполнения и толщина стенки напечатанной на 3D-принтере детали.
Как можно оптимизировать предельное напряжение растяжения 3D-печатных изделий для конкретных целей?
Основным фактором оптимизации предела прочности при растяжении материалов, напечатанных на 3D-принтере, является направление z. Z-направление относится к направлению, перпендикулярному печатаемым слоям.
Предельное растягивающее напряжение материала является самым слабым в направлении z, поэтому следует избегать нагрузок в этом направлении.
Другими соображениями при оптимизации напряжения растяжения являются выбор материала, использование армирования волокном, процент заполнения и толщина стенки.
Какую роль играет выбор материала в предельном растягивающем напряжении 3D-печатного объекта?
Выбор материала сильно повлияет на прочность на растяжение конечной детали. Большинство деталей в настоящее время все еще печатаются из полимеров.
PLA является одним из наиболее часто используемых материалов для 3D-печати, поскольку он дешев и обладает определенной прочностью.
Однако он не подходит для большинства приложений, несущих нагрузку. Поэтому вместо него можно использовать поликарбонат, так как это гораздо более прочный материал.
Является ли 3D-печатный объект прочнее, если значение предельного напряжения растяжения выше?
Да, при сравнении двух напечатанных на 3D-принтере деталей с одинаковой ориентацией печати и структурой более высокое предельное растягивающее напряжение приведет к получению более прочной детали.
При сравнении детали, напечатанной на 3D-принтере, и детали, изготовленной традиционным способом из одного и того же материала, прочность детали, напечатанной на 3D-принтере, меньше, чем у ее ненапечатанного эквивалента.
Однако детали, напечатанные на 3D-принтере, можно сделать анизотропными, что может уменьшить вес детали при сохранении прочности на разрыв.
Влияет ли скорость печати на предельное растягивающее напряжение 3D-печатной детали?
Да, по мере увеличения скорости печати 3D-принтера прочность детали снижается. Причина такого снижения прочности заключается в том, что печатающая головка не успевает полностью пластифицировать полимер. Это создаст дефекты и приведет к плохой адгезии между слоями печати.
Можно ли предсказать предельное напряжение растяжения 3D-печатных деталей до того, как они будут напечатаны?
Да, предельное напряжение растяжения детали, напечатанной на 3D-принтере, можно предсказать перед печатью.
Программное обеспечение для анализа конечных элементов (FEA) можно использовать для расчета напряжения детали, а также множества других свойств.
Тем не менее, 3D-печатные детали по-прежнему потребуют фактического тестирования, а контроль качества является большой проблемой для 3D-печатных деталей, поскольку принтеры не так эффективны в отношении воспроизводимости, как другие методы производства.
В этой статье представлен предел прочности при растяжении, объяснено, что это такое, и обсуждено, как его рассчитать.
