12 Дәріс. Созылу және сығылу кезіндегі материалдардың механикалық қасиеттері

Дәрістің мазмұны: сынаулардың мақсаты, созылу және сығылу диаг-раммалары, материалдар беріктігі мен пластикалық қасиетінің сипаттамалары, мығымдау, температура мен уақыттың қасиеттерге әсері, жылыстау.

Дәрістің мақсаты: материалдарды созылуға және сығылуға сынауларын жүргізу әдістемесімен танысу, материалдардың негізгі механикалық сипаттамаларын игеру.

М атериалдар қасиеттерін зерттеу үшін және шекті кернеулердің мәндерін анықтау үшін материал үлгілерінің сынауларын оларды сындыруға дейін жүргізеді. Сынаулар статикалық, соққы және циклдік жүктемелер әсерінен созылуға, сығылуға, бұралуға және иіюлуге жүргізіледі (кейбірде күрделі қарсыласуға). Сынаудың нәтижелері үлгінің формасына, деформациялану жылдамдығына, сынау кезіндегі температураға және т.б. тәуелді болғандықтан, оларды арнаулы машиналарда стандартталған шарттар сақтауымен жүргізеді.

12.1 Созылу диаграммалары

Ең кеңінен таралған сынаулар – ста-тикалық жүктеме әсерінен созылуға сы-наулар, өйткені олар ең қарапайым болып келеді және материал деформацияның басқа түрлерін қалай қабылдайтыны туралы айтуға мүмкіншілік береді.

Сынаулар үшін цилиндрлік және жазық үлгілер қолданылады (12.1 сурет). Әдетте цилиндрлік үлгілердің өлшемдері d₀=20 мм және l₀=10d₀  немесе l₀=5d₀ болып алынады. 

С ынау кезінде созатын F күші мен үлгінің Δl ұзаруы арасындағы тәуелдіктің диаграм-масы жазылып отырады. Әртүрлі өлшемдерімен алынған үлгілер бойынша сынау нәтижелерін салыстыруға мүмкіншілік болу үшін F-Δl диаграммасының σ-ε диаграммасы ретінде қарасты-рады. Бұл нақты емес, өйткені σ=F/A₀ және ε=∆l/l₀ алынады (A₀, l₀ – үлгінің көлденең қимасының бастапқы ауданы мен оның бастапқы ұзындығы). Нақты σ мен ε A және l шамаларының ағымды мәндері арқылы анықталу керек болғандықтан, бұл σ-ε диаграммасын шартты созылу диаграммасы деп атайды.

12.2 суретте үздіксіз сызықпен аз көміртекті болаттың шартты созылу диаграммасы көрсетілген. ОА аралығында кейбір пропорционалдық шегі деп аталатын σ_пц шамасына дейін ε деформациясы σ кернеуіне пропорционал өседі, яғни Гук заңы орындалады (Ст3 болат үшін σ_пц≈ 200 МПа). Содан кейін диаграмма қисық сызықтыға айналады, сонда серпімділік шегі деп аталатын, σ_сер шамасына дейін материал өзінің серпімділік қасиетін сақтайды. σ_пц және σ_серарасындағы айырмашылығы аз болғандықтан (Ст3 үшін σ_сер≈ 210 МПа), оларды қолдану кезінде айырмайды.

Жүктемені әрі қарай өсіріп тұрғанда, бір мезгілде  (С нүктесі) деформациялар, жүктеме өспесе де өсе береді. Горизонталь СD аралығы аққыштық ауданы деп, ал сәйкес кернеу – σ_ақ аққыштық (немесе жұмсару) шегі деп аталады (Ст3  үшін 240…400 МПа).

Содан кейін диаграмма жоғары кетеді, материал созуға қарсыласу қабілетіне қайта ие болады. Е нүктесінде ең жоғары шартты кернеуге жетеміз, ол σ_б беріктік шегі деп немесе уақытша қарсыласуы деп аталады (Ст3 үшінσ_б=400…500 МПа). Сонда үлгіде мойнақ деп аталатын жергілікті жіңішкеру орын алады (12.3,б сурет). Үлгі мойнағындағы қимасының ауданы тез азаяды, соның себебінен күш пен σ шамалары төмен түседі. Үлгінің үзілуі ең кіші қимасы бойымен болады.  Беріктік шегі үлгі үзілетін кездегі кернеуге тең емес. Егер созатын күштің A₀ ауданына емес, мойын ауданына қатынасын тапсақ, онда үзілу алдын-дағы (S нүктесінде) мойындағы σ_шын кернеуі σ_б кернеуінен айтарлықтай жоғары болады. 

М атериал беріктігінің қарастырылған сипаттамаларымен қатар сынау арқылы үлгі үзілгендегі δ салыстырмалы қалдық ұзаруын  анықтайды, ол материалдың пластикалық қасиетінің сипаттамасы болып келеді

                                                  (12.1)

мұндағы l₀ – үлгінің бастапқы есептеу ұзындығы;

l₁– үлгі үзілгеннен кейін, оның есептеу ұзындығы.

Ст3 үшін δ ≥24%, жоғары берікті болаттар үшін δ=(7…10)%. Бұл ұзаруы орташа алынады, шынайы ұзаруы үзілген жерде орын алады.

Айтарлықтай үлкен пластикалық деформацияларды зерттеу үшін шынайы созу диаграммасын білу қажет (12.2 суреттегі OCS қисығы).

Қарастырылған созылу диаграммасы пластикалық материалдарды, яғни қирамай тұрғанда айтарлықтай қалдық деформацияларға ие бола алатын мате-риалдарды сипаттайды. Пластикалық қасиеті жоғары материалдарға мыс, алюминий, латунь, аз көміртекті болат және т.б. жатады, пластикалық қасиеті аз материалдарға – легирленген болаттардың көпшілігі. Кейбір пластикалық  материалдардың созылу диаграммаларында аққыштық ауданы болмайды; олар үшін шартты аққыштық шегі қолданылады - ол қалдық деформация-сының кейбір шамасына сәйкес келетін кернеу. σ_0,2 шартты аққыштық шегі  0,2% тең қалдық деформациясына сәйкес болады.

П ластикалық қасиетіне керісінше морт қасиеті бар. Морт материалдар үшін  δ шамасы 2-5%-дан аспайды. Морт материалдарға шойын, инструменттік болат, тас, бетон, шыны және т.б. жатады.  Пластикалық және морт мате-риалдарға бөлу шартты екенін айта кету керек, өйткені сынау шарттарына (жүктелу жылдамдығына, темпе-ратураға) және кернеулі күйіне тәуелді морт материал-дардың биімділігі пластикалық материалдар секілді, ал пластикалық материалдардың биімділігі морт материалдар секілді болуы мүмкін. Мысалы, шойыннан жасалған үлгі жан-жақты сығу кезінде пластикалық қасиетіне ие болады. Ал болаттан жасалған қырнауы бар үлгі, оның  δ қалдық деформациясы салыстырмалы кішкене болғанда сынады.

Морт материалдардан жасалған үлгілердің созылу диаграммаларының бір қатар ерешеліктері болады (12.4 сурет). Мұнда  Гук заңынан ауытқуы өте ерте басталады. Үзілу  өте аз деформациялар кезінде мойыны болмай аяқ астынан келіп қалады. Сынау кезінде тек қана σ_б беріктік шегін анықтайды. Есептеу жүргізгенде қисық сызықты диаграммасын түзу сызықты диаграммасына ауыстырып, Гука заңынан ауытқуы ескерілмейді.  σ_б шамасына үлгінің өлшемдері байқалатын әсерін тигізеді, ол масштаб коэффициенті арқылы бағаланады.

12.2 суреттегі диаграммасын қайта қарастырайық. Егер үлгі жүктел-генде σ_сер кернеуі асырылмаса, жүктемені алғаннан кейін деформациялар толығымен жойылады. Содан кейін үлгі қайта жүктелсе, үлгі алдыңғы жағдайдағыдай болады. Егер үлгі жүктелуінде кернеу σ_сер кернеуінен артық болып кетсе, мысалы үлгі К нүктесіне дейін жүктелсе, онда жүктемеден босатылу   ОА-ға параллель КL түзуімен орындалады. Деформацияның сер-пімді бөлігі (LM кесіндісі) жойылады, ал пластикалық бөлігі (OL кесіндісі) қалады. Енді үлгі қайта жүктелсе, созу диаграммасы LK түзу бойыменK нүктесіне дейін жетіп, әрі қарай KEN сызығы бойымен үлгі үзілгенге дейін жүргізіледі. Үзілу кезіндегі LR ұзаруы  ОR шамасынан кіші болады. Сонымен, алдын ала σ_сер кернеуінен асатын кернеулерге дейін созылған үлгіге қайта жүктемені түсірсе, оның пропорционалдық шегі алдыңғы жүктелу кезіндегі кернеулер деңгейіне дейін өседі. Бұны - жүктемені алып қайта түсіру заңы, ал  құбылысты мығымдау деп атайды.