Metālu lieces izturība – lieces spriegums, lieces moments un lieces pārbaude

Lieces izturība apraksta materiāla vai parauga uzvedību slodzes ietekmē, kas izraisa tā saliekšanos. Liekšanas laikā elementa šķērsgriezumā vienlaikus rodas stiepes un spiedes spriegumi, un starp tiem atrodas apgabals, kas saistīts ar neitrālo asi. Kaļamiem metāliem lieces izturības jēdziens prasa rūpīgu interpretāciju. Paraugs var sasniegt savu tecēšanas robežu un piedzīvot ievērojamu paliekošu deformāciju bez lūzuma. Tāpēc atkarībā no testa mērķa cita starpā tiek analizēts spriegums pie noteiktas novirzes, tecēšanas sākums, maksimālais nominālais spriegums vai parauga spēja saliekties bez lūzuma.

Kas ir locīšana?

Liekšana ir slodzes režīms, kurā lieces moments rada izliektu elementu. Parasti viena šķērsgriezuma puse ir stiepē, bet pretējā puse - spiedē. Starp tām atrodas neitrāla ass , kur saskaņā ar klasiskās siju teorijas pieņēmumiem gareniskais normālais spriegums, ko rada liece, ir nulle. Liekšana cita starpā ietekmē:

sijas,
vārpstas un asis,
lokšņu metāls,
profils,
atsperes, kas izgatavotas, cita starpā, no oglekļa atsperu tērauds i leģētie atsperu tēraudi,
tērauda konstrukciju elementi,
mašīnu detaļas,
instrumenti.

Lieces moments M

Pamatlielums, kas raksturo lieces slodzi, ir lieces moments M. Momentu rada spēka iedarbība noteiktā attālumā no apskatāmā šķērsgriezuma. Vienkāršā gadījumā: M = F × l , kur:

M – lieces moments,
F - spēks,
l – spēka atzars.

Griezes momenta mērvienība var būt, piemēram, Nm vai Nmm.

Lieces spriegums

Lineāri elastīgajā diapazonā klasiskā sijas lieces teorija ļauj noteikt normālo spriegumu šķērsgriezumā pēc formulas: σ = M × y / I , kur:

σ – normāla slodze no lieces,
M – lieces moments,
y – analizējamā punkta attālums no neitrālās ass,
I – šķērsgriezuma ģeometriskais inerces moments attiecībā pret lieces asi.

Visaugstākā absolūtā sprieguma vērtība rodas šķērsgriezuma šķiedrās, kas atrodas vistālāk no neitrālās ass.

Šķērsgriezuma stiprības modulis W

Ekstrēmākajai šķiedrai sakarību var uzrakstīt ērtākā formā: σ _max = M / W , kur: W = I / y _max . W ir šķērsgriezuma lieces izturība . Tā ir šķērsgriezuma ģeometriska īpašība, nevis materiāla īpašība. Tāpēc divi elementi, kas izgatavoti no viena materiāla, var izturēt ļoti atšķirīgus lieces momentus, ja tiem ir atšķirīga šķērsgriezuma forma un izmēri.

Lieces sprieguma piemērs

Ja lieces moments ir M = 1 000 000 N·mm un šķērsgriezuma modulis W = 10 000 mm³ , tad maksimālais nominālais lieces spriegums ir: σ = M/W = 1 000 000/10 000 = 100 MPa . Piemērs parāda, ka lieces spriegums ir atkarīgs gan no slodzes, gan no šķērsgriezuma ģeometrijas.

Stiepšanās un saspiešana lieces laikā

Tīrā liecē viena šķērsgriezuma daļa atrodas stiepē, bet otra - spiedē. Klasiskajā lineāri elastīgajā sijas modelī spriegums mainās lineāri atkarībā no šķērsgriezuma augstuma:

uz vienas virsmas tas sasniedz maksimālo stiepšanos,
uz neitrālās ass ir nulle,
uz pretējās virsmas tas sasniedz savu saspiešanas maksimumu.

Tieši vienlaicīga spriegojuma un saspiešanas rašanās atšķir lieci no vienkārša vienvirziena spriegojuma vai saspiešanas.

Kas ir lieces izturība?

Lieces izturība ir spriegums, ko nosaka, pieliekot slodzi paraugam lieces testā saskaņā ar noteiktu procedūru. Trausliem materiāliem tā var atbilst nominālajam spriegumam parauga lūzuma brīdī. Kaļamiem materiāliem situācija ir sarežģītāka, jo materiāls var sasniegt plastisku stāvokli un piedzīvot ievērojamu deformāciju bez lūzuma. Tāpēc termins "lieces izturība" vienmēr jāinterpretē saistībā ar testa metodi un kritēriju, kas izmantots rezultāta noteikšanai.

Kāpēc kaļamo metālu lieces izturība ir problemātiska?

Kad kaļamais tērauds ir saliekts, tas var:

vispirms elastīgi deformējas,
sasniegt plastifikācijas sākumu galējās šķiedrās,
piedzīvo arvien lielāku plastisko deformāciju,
izveidot plastisku savienojumu,
nesalūst pat pie ļoti liela lieces leņķa.

Šādos gadījumos ne vienmēr ir skaidrs punkts, kas atbilst klasiskajai galīgajai izturībai. Tāpēc metālu gadījumā lieces pārbaude , tecēšanas robeža vai plastisko momentu analīze bieži vien ir svarīgāka par pašu "lieces izturības" vērtību.

Lieces tecēšanas robeža

Palielinoties momentam, vislielākie spriegumi sākotnēji rodas šķērsgriezuma galējās šķiedrās. Kad lokālais spriegums sasniedz materiāla tecēšanas robežu , šajās vietās sākas paliekošā deformācija. Turpmāk palielinoties momentam, plastificētā zona var pakāpeniski paplašināties neitrālās ass virzienā. Tas nozīmē, ka visa elementa plastifikācijas sākums nenotiek vienlaicīgi visā šķērsgriezumā.

Elastības moments un plastiskais moments

Šķērsgriezuma ziņā cita starpā var atšķirt:

brīdis, kas atbilst plastifikācijas sākumam ekstremālas šķiedras,
plastmasas moments saistīts ar visa šķērsgriezuma plastifikāciju idealizētā elastīga-ideāli plastiska materiāla modelī.

Plastiskais moments ir atkarīgs no materiāla tecēšanas robežas un šķērsgriezuma ģeometrijas. Šķērsgriezuma spēja pretoties momentiem pēc lokālas tecēšanas sākuma tiek izmantota, cita starpā, konstrukciju plastiskajā analīzē.

Janga modulis un liece

Janga modulis E apraksta materiāla stingrību lineāri elastības diapazonā. Jo lielāks E, jo mazāka ir materiāla elastīgā deformācija pie noteikta sprieguma līmeņa. Tomēr tas nenozīmē, ka materiālam ar lielāku E automātiski ir lielāka lieces izturība. E apraksta stingrību, nevis stiprību.

Lieces stingrība EI

Sijas gadījumā īpaši svarīgs ir reizinājums EI , kur:

E - Materiāla Janga modulis,
I – šķērsgriezuma ģeometriskais inerces moments.

EI reizinājums nosaka elementa lieces stingrību . Tas nozīmē, ka novirze ir atkarīga gan no materiāla, gan no šķērsgriezuma ģeometrijas.

Kāpēc šķērsgriezuma ģeometrija ir tik svarīga?

Inerces moments I ir ļoti atkarīgs no materiāla atrašanās vietas attiecībā pret neitrālo asi. Materiāls, kas novietots tālu no neitrālās ass, ļoti efektīvi palielina šķērsgriezuma stingrību un lieces pretestību. Tāpēc konstrukcijās cita starpā tiek izmantots:

I-veida sijas,
kanālu sekcijas,
slēgti profili,
caurules,
kastes profili.

Atbilstošs materiālu izvietojums ļauj panākt augstu lieces stingrību, proporcionāli nepalielinot elementa masu.

Taisnstūra šķērsgriezuma inerces moments

Taisnstūra šķērsgriezumam ar platumu b un augstumu h, kas saliekts ap asi, kas iet caur šķērsgriezuma centru paralēli platumam: I = b × h³ / 12. Stiprības modulis ir: W = b × h² / 6. Tas parāda, ka, palielinot šķērsgriezuma augstumu, tā izturība pret lieci ļoti palielinās.

Apļveida šķērsgriezuma inerces moments

Pilnam apļveida šķērsgriezumam ar diametru d: I = πd⁴ / 64 un stiprības modulim: W = πd³ / 32. Šīs sakarības ir svarīgas, cita starpā, analizējot vārpstas un asis, kas pakļautas lieces slodzēm.

Metāla lieces tests

Liekšanas testu var izmantot gan mehānisko īpašību noteikšanai , gan materiāla spējas deformēties bez plaisāšanas tehnoloģiskai novērtēšanai. Atkarībā no metodes paraugs tiek noslogots ar noteiktu atbalsta un spēka sistēmu. Testi ietver:

trīspunktu locīšana,
četrpunktu locīšana,
lieces tehnoloģiskie testi noteiktā leņķī.

Trīspunktu locīšana

Trīspunktu lieces testā paraugs balstās uz diviem balstiem, un spēks tiek pielikts starp tiem, parasti laiduma vidū. Lielākais lieces moments rodas centrālā spēka zonā. Šī iekārta ir vienkārša un plaši tiek izmantota dažādu materiālu testēšanā.

Četru punktu locīšana

Četru punktu lieces testā paraugs balstās uz diviem balstiem, un slodze tiek pielikta divos punktos. Starp spēka pielikšanas punktiem var būt zona ar nemainīgu lieces momentu un — idealizētā gadījumā — bez bīdes spēka. Tas palielina zonas garumu, kas pakļauta lieliem momentiem, salīdzinot ar klasisko trīspunktu lieci.

Trīspunktu un četrpunktu locīšana

Raksturīgs	Trīspunktu locīšana	Četru punktu locīšana
Atbalsta punktu skaits	2	2
Slodzes pielikšanas punktu skaits	1	2
Maksimālais griezes moments	Dotajā šķērsgriezumā spēka ietekmē	Tas var notikt posmā starp spēkiem
Augsta griezes momenta zona	Vairāk vietējo	Lielāks parauga laukums

Tehnoloģiskais lieces tests

Metāliem lieces process ir izšķirošs . Tā mērķis nav obligāti noteikt vienu stiprības vērtību. To var izmantot, lai pārbaudītu, vai paraugu var saliekt noteiktā leņķī vai ap noteikta diametra veidni bez nepieņemamas plaisāšanas. Šādu testu var izmantot, lai novērtētu:

blāvs,
stieņi,
metalurģijas izstrādājumi,
metinātas šuves,
materiāli pēc tehnoloģiskās apstrādes.

Liekšanas rādiuss un materiāla deformācija

Jo mazāks ir lieces rādiuss, jo lielāka ir deformācija materiāla ārējos slāņos. Pārāk mazs rādiuss var izraisīt:

vietējais sašaurināšanās,
plaisu veidošanās,
virsmas bojājumi,
materiāla plaisāšana līkuma ārpusē.

Minimālais pieļaujamais lieces rādiuss ir atkarīgs, cita starpā, no materiāla veida, tā stāvokļa, biezuma, velmēšanas virziena un lieces tehnoloģijas.

Velmēšanas virziens un loksnes locīšana

Velmētām loksnēm var būt anizotropija . Tāpēc materiāla lieces spēja var būt atkarīga no lieces līnijas orientācijas attiecībā pret velmēšanas virzienu. Prasības attiecībā uz paraugu ņemšanu un lieces virzienu jāizriet no attiecīgā materiāla standarta vai produkta specifikācijas.

Atspere pēc saliekšanas

Kad spēks tiek noņemts, daļa elastīgās deformācijas izzūd, kā rezultātā elements daļēji atgriežas sākotnējā formā. Šo parādību sauc par atsitienu . Tai ir liela nozīme lokšņu metāla un profilu tehnoloģiskās liekšanas laikā. Atsperes lielumu cita starpā ietekmē šādi faktori:

Janga modulis E,
tecēšanas robeža,
materiāla biezums,
lieces rādiuss,
instrumentu ģeometrija,
materiāla sacietēšanas pakāpe.

Spriegošanas sacietēšanas ietekme

Plastiskās lieces laikā materiāls var tikt pakļauts deformācijas sacietēšanai . Visvairāk deformētajās vietās palielinās dislokāciju blīvums un mainās lokālās mehāniskās īpašības . Šī parādība ir īpaši svarīga aukstās lieces laikā.

Liekšana un Rm

Stiepes izturība Rm nav lieces izturība. Rm nosaka maksimālo inženierspriegumu, kas sasniegts statiskajā stiepes testā . Lieces laikā rodas sprieguma gradients – tikai daļa šķērsgriezuma ir ar maksimālo sprieguma vērtību. Tāpēc lieces testa rezultātus nevajadzētu tieši pielīdzināt Rm.

Liekšana un Re un Rp0,2

Tecēšanas robeža Re jeb Rp0,2 ir svarīga, analizējot paliekošās deformācijas iestāšanos lieces elementā. Vienkāršā elastības modelī tecēšanas sākums notiek, kad spriegums visvairāk noslogotajā šķiedrā sasniedz līmeni, kas atbilst materiāla tecēšanas robežai. Turpmāks momenta palielinājums izraisa plastisku zonu veidošanos šķērsgriezumā.

Liekšana un cietība

Cietība un lieces izturība ir atšķirīgas materiāla īpašības. Nav vienas, universālas attiecības, kas ļautu tieši pārvērst HBW , HV vai HRC lieces stiprībā. Materiālam ar augstu cietību var vienlaikus būt ierobežota plastiskā lieces spēja un lielāka jutība pret lūzumiem atkarībā no mikrostruktūras un slodzes apstākļiem.

Lieces un trieciena izturība

Lieces tests un Šarpi trieciena tests nav viens un tas pats tests. Šarpi testā tiek izmantots dinamiskais trieciens uz iegriezta parauga un mēra lūzuma laikā absorbēto enerģiju. Lieces tests atbilst atšķirīgai procedūrai un to var izmantot, lai noteiktu materiāla mehāniskās īpašības vai tehnoloģisko spēju saliekties bez lūzuma.

Liekšana un materiāla nogurums

Ja lieces moments laika gaitā mainās atkārtoti, var rasties lieces nogurums . Tas ir īpaši svarīgi:

rotējošām vārpstām,
cirvji,
atsperes,
piekares elementi,
Mašīnu detaļas, kas pakļautas cikliskām slodzēm.

Noguruma plaisas bieži rodas virsmā, kur ir vislielākie lieces spriegumi.

Rotācijas liekšana

Klasisks noguruma slodzes gadījums ir rotācijas liece . Ja vārpsta ir pakļauta nemainīgam lieces momentam un vienlaikus rotē, noteikts punkts uz tās virsmas cikliski iziet cauri sprieguma un saspiešanas apgabalam. Tas rada ciklisku spriegumu, kas var izraisīt noguruma lūzumu pat tad, ja spriegums ir daudz mazāks par Rm.

Iegriezumi un locīšana

Caurumi, rievas, vītnes, asas šķērsgriezuma izmaiņas un citi pārtraukumi rada sprieguma koncentrācijas . Tas ir īpaši svarīgi liecē, jo maksimālie nominālie spriegumi rodas detaļas virsmā. Šādā vietā esošs iegriezums var ievērojami palielināt lokālo spriegumu un veicināt plaisu veidošanos.

Virsmas stāvoklis un noguruma liece

Virsmas kvalitātei ir izšķiroša nozīme cikliskā liekšanā. Skrāpējumi, apstrādes pēdas, korozija , bedrainība un citi virsmas defekti var darboties kā lokāli sprieguma koncentratori un samazināt detaļas noguruma ilgmūžību . Tāpēc virsmas stāvoklis ir īpaši svarīgs vārpstām, atsperēm un citām detaļām, kas pakļautas atkārtotai liekšanai.

Temperatūras ietekme uz liecieniem

Temperatūra ietekmē materiāla īpašības, kas ir atbildīgas par tā lieces uzvedību. Temperatūras izmaiņas var ietekmēt, cita starpā:

tecēšanas robeža,
Janga modulis,
plastiskums,
izturība pret plaisāšanu.

Tāpēc materiāla spēja droši saliekties istabas temperatūrā var nebūt vienāda ļoti zemā vai augstā temperatūrā.

Termiskās apstrādes ietekme

Termiskā apstrāde var būtiski ietekmēt materiāla lieces uzvedību. Rūdīšana var palielināt cietību un izturību, bet arī ierobežot spēju veikt lielas plastiskās deformācijas. Atlaidināšana , atkvēlināšana vai citi procesi var mainīt attiecību starp izturību, cietību un plastiskumu. Ietekme ir atkarīga no materiāla klases un apstrādes parametriem.

Trauslu materiālu liekšana

Trausliem materiāliem lieces pārbaude ir īpaši svarīga, jo paraugs var saplīst bez būtiskas plastiskās deformācijas. Šādos materiālos lieces izturību var noteikt, pamatojoties uz slodzi, kas izraisa parauga lūzumu. Šī iemesla dēļ lieces pārbaude tiek plaši izmantota arī materiāliem, kuriem ir grūti veikt klasisko stiepes pārbaudi .

Kaļamo materiālu liekšana

Elastīgi materiāli pirms lūzuma var sasniegt ievērojamus lieces leņķus. Šādiem materiāliem testu galvenokārt var izmantot, lai novērtētu:

spēja plastiski deformēties,
materiāla kvalitāte,
defektu klātbūtne,
metinātā savienojuma kvalitāte,
piemērotība tālākai tehnoloģiskai apstrādei.

Metināto savienojumu lieces pārbaude

Liekšanu izmanto arī metināto savienojumu īpašību novērtēšanai. Paraugu, kurā ir metinājums, var saliekt tā, lai noteikta savienojuma daļa tiktu pakļauta spriegumam. Šis tests atklāj noteiktus defektus un novērtē savienojuma spēju deformēties bez nepieņemamas plaisāšanas. Precīza parauga sagatavošanas metode, lieces virziens un novērtēšanas kritēriji ir atvasināti no attiecīgā standarta vai specifikācijas.

Metāla lieces testu standarti

Viens no metālisku materiālu tehnoloģiskās lieces pārbaudes pamatstandartiem ir ISO 7438 – Metāliski materiāli – Lieces pārbaude . Metinātiem savienojumiem metinājumu un savienojumu materiālu lieces pārbaudei tiek izmantoti atsevišķi standarti. Attiecīgais standarts cita starpā nosaka:

parauga ģeometrija,
veids, kā tas tiek atbalstīts,
serdeņa diametrs vai lieces apstākļi,
lieces leņķis,
pētījuma veikšanas metode,
izlases novērtēšanas principi.

Jānošķir tehnoloģiskie lieces testi un testi, ko izmanto, lai kvantitatīvi noteiktu mehāniskās īpašības lieces laikā.

Kas nosaka metāla uzvedību locīšanas laikā?

Materiāla un elementa uzvedību cita starpā ietekmē:

tecēšanas robeža,
materiāla izturība,
Janga modulis,
plastiskums,
mikrostruktūra,
termiskā apstrāde,
virsmas stāvoklis,
temperatūra,
rites virziens,
lieces rādiuss,
šķērsgriezuma ģeometrija,
iegriezumi un citi sprieguma koncentratori,
slodzes pielietošanas veids un metode.

Elementa materiāla izturība un lieces izturība

Materiāla izturība un visa elementa nestspēja nav vienāda. Gan materiāla īpašības, gan šķērsgriezuma ģeometrija ietekmē elementa nestspēju. Tāpēc diviem no viena tērauda izgatavotiem elementiem var būt pilnīgi atšķirīga lieces pretestība, ja tie atšķiras pēc augstuma, platuma vai šķērsgriezuma formas. Līdzīgi diviem elementiem ar identisku ģeometriju var būt atšķirīga nestspēja, ja tie ir izgatavoti no materiāliem ar atšķirīgu tecēšanas robežu.

Vai augstāka lieces izturība vienmēr nozīmē labāku materiālu?

Nē. Konkrētajam pielietojumam jāizvēlas pareizais materiāls. Papildus lieces slodzes izturībai svarīgi var būt arī šādi faktori:

Materiāls ar ļoti augstu tecēšanas robežu var būt izdevīgs vienā pielietojumā, bet nepiemērots citā, kur nepieciešama augsta deformācijas spēja vai augsta plaisas izturība.

Lieces izturība – vissvarīgākā informācija

Liekšanas laikā viena šķērsgriezuma daļa tiek izstiepta, bet otra - saspiesta.
Starp tiem ir neitrāla ass.
Lineāri elastīgajā diapazonā spriegumu var noteikt pēc formulas σ = My/I.
Ekstrēmajai šķiedrai ir spēkā šāda sakarība σ_maks = M/W.
W ir šķērsgriezuma stiprības ģeometrisks indikators, nevis materiāla īpašība.
EI nosaka elementa lieces stingrību.
Janga modulis apraksta stingrību, nevis lieces izturību.
Kaļamajiem metāliem, tiklīdz sākas tecēšana, paraugs var turpināt nest slodzi un ievērojami deformēties.
Tehnoloģisko lieces testu bieži izmanto, lai novērtētu materiāla spēju deformēties bez nepieņemamas plaisāšanas.
Trīspunktu un četrpunktu testi rada atšķirīgus lieces momentu sadalījumus.
Šķērsgriezuma ģeometrijai ir būtiska ietekme uz elementa nestspēju un stingrību.
Neliels lieces rādiuss palielina materiāla ārējo slāņu deformāciju.
Noguruma bojājums var rasties cikliskas lieces gadījumā.
Iegriezumi un virsmas defekti ir īpaši svarīgi, jo uz virsmas rodas maksimālie lieces spriegumi.
Lieces izturība, Rm, Rp0,2 un cietība nav savstarpēji aizvietojami parametri.