Тема: механические свойства материалов при растяжении и сжатии

ПЛАН:

4.1 Механические свойства материалов. Диаграмма растяжения.

4.2 Важные характеристики пластичности материала.

4.3 Повышение условного предела текучести при повторных нагружениях (наклеп

1. Назначение и виды испытаний

Для изучения свойств материалов и установления значения предельных напряжений (по разрушению или по пластическим деформациям) производят испытания образцов материала вплоть до разрушения. Испытания производят при нагрузках следующих категорий: статической, ударной и циклической (ис­пытание на усталость или выносливость).

По виду деформации, испытываемой образцом, различают испытания на растяжение, сжатие, кручение и изгиб. Значитель­но реже проводят испытания на сложное сопротивление, напри­мер сочетание растяжения и кручения.

Так как результаты испытаний зависят от формы образца, скорости его деформирования, температуры при испытании и т. д., то эксперимент обычно ведут в условиях, предусмотрен­ных ГОСТами.

Испытания производят на специальных машинах, разнооб­разных по конструкции и мощности.

Для измерения деформаций применяют специальные прибо­ры (тензометры), имеющие высокую чувствительность.

2. Диаграммы растяжения и сжатия

Наибольшее распространение имеют испытания на растяже­ние статической нагрузкой, так как они наиболее просты и в то же время во многих случаях дают возможность достаточно верно судить о поведении материала при других видах деформации.

На рис. 1 показаны применяемые образцы для испытаний на растяжение.

Применяют как цилиндрические образцы диаметром 3 мм и более (рис. 1, а, б, в), так и плоские (рис. 1, г) толщиной 0,5 мм и более с начальной расчетной длиной l₀=5,65A^1/2 или l₀ =11,3A^1/2. В первом случае образцы называют короткими, во втором — длинными.

Соотношение между рабочей l₁=l_раб и расчетной l₀ длинами принимают:

для цилиндрических образцов от l₁=l₀+0,5d₀ до l₁=l₀+2d₀;

для плоских образцов толщиной 4 мм и более от l₁=l₀+1,5A^1/2 до l₁=l₀+ 2,5A^1/2.

При испытании цилиндрических образцов в качестве основ­ных применяют образцы диаметром d₀=10 мм.

Целью испытания на растяжение является определение ме­ханических характеристик материала. При испытании автомати­чески записывается диаграмма зависимости между растягиваю­щей образец силой F и удлинением образца Δl. По очертанию она похожа на диаграмму, представленную на рис.2.

Рисунок 1

Рисунок 2

Для того чтобы модно было сравнивать результаты испыта­ния образцов различных размеров, изготовленных из одинаковых материалов, диаграмму растяжения перестраивают и изо­бражают в другой системе координат: по оси ординат отклады­вают значение нормального напряжения в поперечном сечении растягиваемого образца σ_р=F/А₀, где A₀ — первоначальная площадь сечения образца, а по оси абсцисс откладывают отно­сительные удлинения образца ε= Δl/ l₀, где l₀ — его первона­чальная длина.

Эту диаграмму называют условной диаграммой растяжения (или диаграммой условных напряжений), так как напряжения и относительные удлинения вычисляются соответственно по от­ношению к первоначальной площади сечения и первоначальной длине образца.

На рис. 2 приведена в координатах ε, σ_р, диаграмма растя­жения образца из малоуглеродистой стали. Как видно, вначале на участке ОА до некоторого напряжения σ_пр, называемого пределом пропорциональности, деформации растут пропорционально напряжениям. Следовательно до продела пропорцио­нальности сохраняет силу закон Гука. Для стали СтЗ предел пропорциональности σ_пр=210 МПа. При дальнейшем увеличе­нии нагрузки диаграмма становится криволинейной.

Однако если напряжения не превосходят определенного зна­чения предела упругости σ_у. то материал сохраняет свои упругие свойства, т. е. при разгрузке образец восстанавливает свою первоначальную форму и размеры.

Для стали СтЗ предел упругости σ_у=220 МПа. Разница между пределом пропорциональности и пределом упругости не­велика, и на практике обычно не делают различия между ними.

Если нагрузку увеличивать еще дальше, то наступает такой момент (точка С), когда деформации начинают расти практиче­ски без увеличения нагрузки.

Горизонтальный участок СD диаграммы называется пло­щадкой текучести.

Напряжение, пря котором происходит рост деформаций без увеличения нагрузки, называется пределом текучести и обозна­чается σ_т.

Для стали СтЗ предел текучести σ_т =230 МПа.

Ряд материалов при растяжении дает диаграмму без выра­женной площадки текучести: для них устанавливается так называемый условный предел текучести.

Напряжение, при котором остаточная деформация равна 0,2%, называется условным пределом текучести.

Условный предел текучести обозначается σ_0,2. К материа­лам для которых определяется условный предел текучести, относятся дюралюминий, бронза, высокоуглеродистые и легированные стали (например, для стали 37ХН3А σ_0,2= 1000 МПа).

Как показывают исследования образцов стали, текучесть сопровождается значительными взаимными сдвигами кристал­лов, в результате чего на поверхности образца появляются линии (так называемые линии Людерса — Чернова), наклонен­ные к оси образца под углом примерно 45° (рис. 3, а).

Удлинившись на некоторую величину при постоянном значе­нии силы, т. е. претерпев состояние текучести, материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению (упрочня­ется) и диаграмма за точкой D поднимается вверх, хотя гораздо более полого, чем раньше (см. рис. 2).

Точка Е диаграммы соответствует наибольшему условному напряжению, называемому пределом прочности или временным сопротивлением. Для стали СтЗ предел прочности составляет σ_в=380 МПа. У высокопрочных сталей величина предела прочности достигает 1700 МПа (сталь 40ХМНА и др.). Предел прочности при растяжении обозначается σ_вр, при сжатии – σ_вс.

Рисунок 3

При достижении напряжением величины предела прочности на образце появляется резкое местное сужение, так называемая шейка (рис. 3, б). Площадь сечения образца в шейке быстро уменьшается и, как следствие, падает усилие и условное напря­жение. Разрыв образца происходит по наименьшему сечению шейки.

Часто временное сопротивление определяют как напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.

Кроме перечисленных выше характеристик прочности мате­риала при испытании на растяжение определяют также относи­тельное остаточное удлинение при разрыве ε_р, являющееся важ­ной характеристикой пластичности материала:

, (1)

где l₀ – первоначальная расчетная длина образца [см. рис. (1)]; l₁– расчетная длина образца после разрыва. Она изме­ряется после стыковки двух частей разорванного образца.

Для стали СтЗ ε_р >21%. У высокопрочных сталей эта величина снижается до 7—10%. Величина ε_р, зависит от соотношения между длиной образца и его поперечными размерами. Поэтому в справочниках указывается, на каком образце определялась величина ε_р. Например, ε_р,5 обозначает, что удлинение было определено на пятикратном образце, т. е. образце, у которого отношение расчетной длины к диаметру равно пяти.

Определенное таким путем удлинение является некоторым средним удлинением, так как деформации распределяются по длине образца неравномерно. Наибольшее удлинение возникает в месте разрыва. Оно называется истинным удлинением при разрыве.

Второй характеристикой пластичности материала является относительное остаточное сужение при разрыве

(2)

где А₀ — первоначальная площадь поперечного сечения; А₁ — площадь поперечного сечения в наиболее тонком месте шейки после разрыва.

Величина ψ_р – характеризует свойства пластичности более точно, чем ε_р, поскольку она в меньшей степени зависит от фор­мы образца. Для стали СтЗ значение ψ_р составляет 50—60%.

Как было отмечено выше, диаграммы растяжения для мно­гих марок стали, а также сплавов цветных металлов не имеют площадки текучести. Характерный вид диаграммы растяжения для подобных материалов показан на рис. 4.

Рисунок 4

Для изучения значительных пластических деформаций не­обходимо знать истинную диаграмму растяжения, дающую за­висимость между истинными деформациями и истинными напря­жениями, которые вычисляются путем деления растягивающей силы па истинную площадь поперечного сечения образца (с уче­том сужения).

Так как истинная площадь поперечного сечения меньше первоначальной, то диаграмма истинных напряжений идет выше диаграммы условных напряжений, особенно после образования шейки, когда происходит редкое уменьшение поперечного сече­ния образца (кривая OCS на рис. 2).

Обычно применяют приближенные способы построения ди­аграммы истинных напряжений, которые излагаются в полных курсах сопротивления матери­алов.

Рассмотренная диаграмма растяжения (см. рис. 2) явля­ется характерной для так назы­ваемых пластичных материалов, т. е. материалов, способных по­лучать значительные остаточные деформации ε_р не разрушаясь.

Чем пластичнее материал, тем больше ε_р. К числу весьма пластичных материалов относятся медь, алюминий, латунь, ма­лоуглеродистая сталь и др.

Менее пластичными являются дюраль и бронза, а слабопластичными материалами – большинство легированных сталей.

Противоположным свойству пластичности является хрупкость, т. е. способность материала разрушаться при незначи­тельных остаточных деформациях. Для таких материалов вели­чина остаточного удлинения при разрыве не превышает 2—5%, в ряде случаев измеряется долями процента. К хрупким матери­алам относятся чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, камень, бетон, стекло, стеклопластики и др. Следует отметить, что деление материалов на пластичные и хрупкие является условным, так как в зависимости от условий испытания (скорость нагружения, температура) и вида напряженного со­стояния хрупкие материалы способны вести себя как пластич­ные, а пластичные – как хрупкие.

Например, чугунный образец в условиях всестороннего сжа­тия ведет себя как пластичный материал, т. е. не разрушается даже при значительных деформациях. И наоборот, стальной образец с выточкой разрушится при сравнительно небольшой деформации.

Таким образом, правильнее говорить о пластичном и хруп­ком состояниях материала.