Ko patiesībā nozīmē tērauda stiprums
Spēks nav viens skaitlis. Īpašums, kam ir nozīme, ir atkarīgs no uzdotā jautājuma. Tecības izturība ir spriegums, pie kura tērauds sāk neatgriezeniski deformēties; stiepes izturība ir maksimālais spriegums, ko tas iztur pirms pārrāvuma; noguruma spēks raksturo tā uzvedību atkārtotas slodzes gadījumā; un šļūdes izturība raksturo tā uzvedību ilgstošas slodzes apstākļos augstā temperatūrā. Divus izstrādājumus, kas izgatavoti no viena tērauda, var raksturot ar ļoti atšķirīgiem stiprības rādītājiem atkarībā no tā, kurš no tiem ir norādīts.
Otrais punkts ir vienlīdz svarīgs: konkrēta tērauda gabala raksturīgo izturību nevar droši noteikt no tā sastāva vien. Sastāvs nosaka īpašību diapazonu, ko var sasniegt, un termiskā apstrāde, aukstā apstrāde un sekcijas izmērs nosaka, kur šajā diapazonā atrodas piegādātais materiāls. Skaitlis, ko inženieri izstrādā, nāk no specifikācijas, kas pamatota ar testēšanu.
Mērvienības: MPa, N/mm2 un ksi
Viens paskāls ir viens ņūtons spēka, kas iedarbojas uz vienu kvadrātmetru.
Viens megapaskāls jeb MPa ir viens miljons paskalu.
Tā kā viens kvadrātmetrs ir vienāds ar vienu miljonu kvadrātmilimetru, viens MPa ir tieši viens ņūtons uz kvadrātmilimetru, N/mm2.
Viens megapaskāls ir aptuveni 145 mārciņas uz kvadrātcollu, tātad 1000 psi ir aptuveni 6,9 MPa.
Darbs ar MPa ir ērts, jo tas atbilst inženiertehniskajos rasējumos izmantotajām platības vienībām. Reizinot spriegumu MPa ar šķērsgriezuma laukumu-kvadrātmilimetros, tiek iegūts spēks tieši ņūtonos.
No pakāpes līdz kravnesībai
Praktiskais aprēķins ir noteiktas materiāla īpašības pārvēršana atļautajā slodzē. Vispārējā forma ir slodze vienāda ar spriegumu, kas reizināts ar laukumu. Aksiāli noslogotam elementam:
| Solis | Izteiksme | Piezīme |
| Spriegošanas elementa stiepes jauda | P=A x sigma | A ir neto šķērsgriezuma laukums-mm2, sigma ir pieļaujamais spriegums MPa, P ir ņūtonos |
| Uz ienesīgumu balstīts pieļaujamais spriegums | sigma atļaut=tecēšanas robeža / drošības koeficients | Drošības koeficients parasti ir 1,5 līdz 2,0 konstrukcijas darbiem |
| Kodējiet pieļaujamo spriegumu spiediena cauruļvadiem | sigma pieļauj=zemāko no divām trešdaļām tecēšanas vai vienu trešdaļu no stiepes izturības | Veidlapa, ko izmanto spiediena cauruļvadu kodiem, piemēram, ASME B31.3 |
| Pagarinājuma pārbaude | epsilon=paplašinājums / sākotnējais garums | Apstiprina, ka sekcija var deformēties, nevis lūzt |
Kā piemēru var minēt, ka bezšuvju caurulei ar noteikto minimālo tecēšanas robežu 240 MPa un neto sekciju 2 000 mm2, tecēšanas slodze ir 480 000 N jeb aptuveni 49 tonnas, pirms tiek piemērots kāds drošības koeficients. Ar drošības koeficientu 1,5 izmantojamā slodze samazinās līdz 320 000 N. Aprēķins ir tikai tik labs kā norādītā stiprības vērtība: ja faktiskā tecēšanas robeža atbilst specifikācijas minimumam, nevis tipiskajai vērtībai, rezultāts ir garantēts.
Ņemiet vērā, ka norādītā minimālā vērtība ir pareiza projektēšanas ievade. Izmantojot tipisku vai vidējo vērtību no dzirnavu sertifikāta noteiktā minimuma vietā, tiek efektīvi noņemta daļa no drošības rezerves.
Kur beidzas aprēķins un sākas testēšana
Teci un stiepes izturību nosaka ar mehānisku testēšanu, nevis aritmētisko. Primārā metode ir stiepes pārbaude atbilstoši ASTM E8/E8M vai EN ISO 6892-1. Mehāniski apstrādāts kupons tiek ievilkts kontrolētā mašīnā, kas nepārtraukti reģistrē spēku un pagarinājumu. Tecības spēks ir spēks, pie kura materiāls sāk plastiski deformēties, dalīts ar sākotnējo šķērsgriezuma laukumu; stiepes izturība ir maksimālais izturētais spēks, kas dalīts ar to pašu sākotnējo laukumu. Cietības pārbaude nodrošina ātru stiprības norādi, un triecientests atbilstoši ASTM E23 vai EN ISO 148-1 nosaka stingrību, kas ir atsevišķs īpašums.
Dažādas materiālu ģimenes atrodas ļoti dažādos stiprības līmeņos. Strukturālie oglekļa tēraudi ir norādīti no aptuveni 235 līdz 355 MPa; dupleksais nerūsējošais tērauds, piemēram, UNS S32205, piedāvā minimālo tecēšanas robežu 450 MPa ar minimālo stiepes izturību 620 MPa, kas ir aptuveni divas reizes lielāka nekā standarta austenīta 304. un 316. klases stiprība; un 18Ni tipa martensīta tēraudi pēc novecošanas sasniedz aptuveni 2 000 MPa stiepes izturību. Šīs atšķirības, nevis pamata dzelzs režģis, izskaidro, kāpēc izturības rādītāji dažādās pakāpēs tik ļoti atšķiras.
Bieži sastopamās nepilnības spēka aprēķinos
Teces robežas jaukšana ar stiepes izturību un nepareiza drošības faktora pielietošana.
Izmantojot bruto laukumu, nevis neto laukumu, kur skrūvju caurumi, rievas vai korozijas pielaide samazina sekciju.
Ignorējot pieļaujamā sprieguma samazināšanos paaugstinātā temperatūrā, kur šļūde regulē virs šļūdes diapazona sliekšņa.
Pieņemot, ka augstāka stiprības pakāpe automātiski atrisina novirzes problēmu; stingrību nosaka elastības modulis, kas būtībā ir vienāds visiem tēraudiem.
Metinātās šuves ignorēšana, kas parasti ir samontētā elementa vājākais punkts un ir jāpārbauda atsevišķi.
FAQ
J: Vai es varu aprēķināt tērauda stiepes izturību pēc tā ķīmiskā sastāva?
Nē. Sastāvs nosaka saimi un īpašumu klāstu, bet sasniegtais stiprums ir atkarīgs no termiskās apstrādes, aukstā darba un sekcijas izmēra. Projektētajām vērtībām ir jābūt no vadošās specifikācijas, ko atbalsta stiepes pārbaude.
J: Ko MPa nozīmē tērauda specifikācijās?
MPa apzīmē megapaskālu. Viens MPa ir vienāds ar vienu miljonu paskalu, kas ir tieši viens ņūtons uz kvadrātmilimetru. Tā ir standarta sprieguma un izturības vienība metriskajās tērauda specifikācijās.
J: Kā stiepes testā mēra tecēšanas spēku?
Mehāniski apstrādāts kupons tiek ievilkts kontrolētā mašīnā, kamēr tiek reģistrēts spēks un pagarinājums. Tecības stiprums ir spēks paliekošās deformācijas sākumā, dalīts ar sākotnējo šķērsgriezuma laukumu, pārbaudīts atbilstoši ASTM E8/E8M vai EN ISO 6892-1.
J: Kurš tērauds ir stiprāks, dupleksais vai austenīta nerūsējošais tērauds?
Dupleksajam nerūsējošajam tēraudam, piemēram, UNS S32205, ir aptuveni divas reizes lielāka tecēšanas robeža nekā standarta 304 vai 316 austenīta šķirnēm un labāka izturība pret sprieguma korozijas plaisāšanu, savukārt austenīta šķirnēm parasti ir labāka formējamība un metināmība. Izvēle ir atkarīga no apkalpošanas apstākļiem, nevis tikai no spēka.
J: Kāds ir stiprākais komerciāli pieejamais tērauds?
Martensīta tēraudi no 18Ni saimes sasniedz aptuveni 2 000 MPa stiepes izturību pēc novecošanas, kas ir krietni augstāka par parasto konstrukciju, instrumentu un nerūsējošā tērauda izturību. Tos izmanto specializētos kosmosa un instrumentu lietojumos, kur šī izturība attaisno izmaksas.
J: Vai stiprāks tērauds vienmēr nodrošina stingrāku struktūru?
Nē. Stingums ir atkarīgs no sekcijas elastības moduļa un inerces momenta, un elastības modulis būtībā ir vienāds visiem tēraudiem. Augstāka stiprības pakāpe palielina slodzi, pie kuras notiek piekāpšanās, nevis novirzi pie normālas ekspluatācijas slodzes.
