Опытное изучение свойств материалов. Основные понятия

Опытное изучение свойств материалов. Основные понятия.


При проектировании и расчетах на прочность, жесткость и устойчивость различных конструкций необходимо знать механические характеристики и показатели пластичности материалов, из которых изготовлены их элементы. Механическими характеристиками материала являются: предел 22 пропорциональности ц, предел текучести  т, предел прочности или временное сопротивление  в, показателями пластичности – остаточное относительное удлинение εост, остаточное относительное сужение ψ и удельная работа а, затрачиваемая на разрушение образца. Для каждого материала эти характеристики свои (приложения П.2, П.3). В инженерной практике все применяемые материалы обычно разделяют на две группы: пластичные и хрупкие материалы. К пластичным материалам относятся такие, которые разрушаются после появления значительных остаточных деформаций. К этим материалам относят сталь, медь, алюминий и др. Хрупкие материалы – это материалы, разрушение которых происходит при весьма малых остаточных деформациях. Чугун, стекло, камень и др. материалы считаются хрупкими. Конечно, это деление надо понимать условно, ибо один и тот же материал при различных условиях (в зависимости от характера напряженного состояния, температуры, скорости деформаций и т. д.) может вести себя как пластичный или как хрупкий, поэтому правильно говорить о пластичном или хрупком состоянии материала. 1.11 Диаграмма испытания малоуглеродистой стали СТ3 при растяжении Механические свойства материалов определяют при испытании образцов на специальных машинах. Наиболее распространенным видом механических испытаний является испытание на растяжение статической нагрузкой, так как они наиболее просты и в то же время во многих случаях дают возможность верно судить о поведении материала при различных видах деформаций. Для испытания на растяжение изготовляют специальные образцы стандартной формы и размеров из испытуемого материала. Чаще всего применяют цилиндрические образцы (рис. 1.18, а) и плоские образцы (рис. 1.18, б). В качестве основных используются цилиндрические образцы диаметром d = 10 мм; образцы с другими размерами диаметра называют пропорциональными. Для основных и пропорциональных образцов должно быть выдержано соотношение между расчетной длиной l0 и диаметром d0, для длинных образцов l0 = 10 d0, а для коротких l0 = 5 d0. Эти соотношения принимаются также для определения размеров образцов с некруглой формой поперечного сечения. 23 Рис. 1.18 Испытания образцов на растяжение производят на специальных разрывных машинах, снабженных диаграммным аппаратом, позволяющим автоматически записать в процессе испытания кривую зависимости удлинения  образца от действующего усилия Р, или так называемую диаграмму растяжения. Характер диаграммы растяжения зависит от свойств испытуемого материала. Типичный вид диаграммы растяжения для малоуглеродистой стали СТ3 изображен на рис. 1.19. Рассмотрим характерные участки и точки этой диаграммы и соответствующие им стадии деформированного состояния образца. Участок оа. На большей части своего протяжения он прямолинеен. В этой части диаграмма выражает прямую пропорциональную зависимость между силой Р и деформацией, т. е. на этой стадии соблюдается закон Гука для всех 24 Рис. 1.19 нагрузок вплоть до нагрузки Рпц, соответствующей на диаграмме точке а. Криволинейный характер в начале участка оа связан с выбором зазоров в механизмах машины и захватах образца и обычно из рассмотрения диаграммы исключается. Если на этой стадии образец полностью разгрузить, то размеры его остаются такими же, как до деформации, иначе на этом участке образец испытывает упругие деформации, исчезающие полностью при разгружении. Определив из диаграммы (участок оа) силу Рпц, вычисляется придел пропорциональности пц: (1.27) где А0 – площадь поперечного сечения образца до испытания (начальная). Предел пропорциональности – наибольшее напряжение, превышение которого вызывает отклонения от закона Гука. За точкой (а) прямая растяжения отклоняется от прямолинейного участка и плавно поднимается до точки (в), где наблюдается переход к так называемой площадке текучести вс, почти горизонтальный участок. На этой стадии испытания образца продольная деформация растет при постоянном значении растягивающей силы Рт. Такой процесс деформации, называемый текучестью материала, сопровождается остаточным (пластическим) удлинением, не исчезающим после разгрузки. При этом изменение поперечных размеров образца еще незначительно. Напряжение, при котором происходит рост деформации при постоянной нагрузке называют пределом текучести и обозначают т. Определяется предел текучести т по формуле (1.28): Участок кривой от с до d. После текучести материала (точка с) материал снова приобретает способность сопротивляться деформации, поэтому на участке от с до точки d наблюдается некоторое увеличение нагрузки на образец. Явление повышения упругих свойств материала вследствие пластических деформаций называется "наклепом” или упрочнением материала, поэтому участок сd называют участком упрочнения. Точка d соответствует наибольшему усилию Рв, которое может воспринять образец. Это усилие вызывает в образце напряжение, равное пределу прочности или временному сопротивлению в: Под пределом прочности понимают напряжение, при котором происходит разрушение материала. Это напряжение соответствует максимальной силе, которую способен выдержать образец при растяжении. Участок кривой от d до е. После достижения максимальной нагрузки Рв деформация образца начинает концентрироваться около какого-либо участка по длине образца, оказавшегося наиболее слабым. На образце появляется так называемая шейка (рис. 1.20). На рис. 1.20 показан характер интенсивности распределения продольной и поперечной деформации вдоль образца после образования шейки. Рис. 1.20 Вследствие интенсивного уменьшения площади сечения шейки для дальнейшего растяжения образца нужна меньшая нагрузка, поэтому на диаграмме и наблюдается падение нагрузки, продолжающееся до разрыва образца. В точки е прямая диаграммы вследствие разрыва образца обрывается. Нагрузка, соответствующая моменту разрыва образца, называется разрушающей и обозначается Рразр. Разделив нагрузку Рразр на площадь поперечного сечения образца в месте разрыва (шейки) Аш, получим истинное напряжение разрушения образца и разр Следует заметить, что в отличие от истинного напряжения ( и) предел пропорциональности ( пц), предел текучести ( т) и предел прочности ( в) являются условными характеристиками, так как их определение осуществлялось как отношение соответствующей силы к первоначальной площади поперечного сечения (А0), которая в действительности при деформации изменяется. Для того чтобы можно было сравнить результаты испытания образцов различных размеров, изготовленных из одинаковых материалов, диаграмму растяжения (рис. 1.19) перестраивают и изображают в другой системе координат: по оси ординат откладывают величину нормального напряжения в поперечном сечении растягиваемого образца а по оси абсцисс – относительное удлинение образца . На рис. 1.21 показана такая диаграмма, называемая условной диаграммой растяжения, так как напряжение и относительные удлинения вычисляются соответственно по отношению к первоначальной площади сечений и первоначальной длине образца. Характер условной диаграммы такой же, как у рассмотренной выше машинной диаграммы (рис. 1.19). Если величину растягивающей силы разделить на действующую площадь поперечного сечения образца, то можно получить значение истинных напряжений и построить диаграмму истинных напряжений, показанную на рис.1.21 пунктиром. Диаграмма истинных напряжений идет выше диаграммы условных напряжений, особенно после образования шейки, когда происходит резкое уменьшение поперечного сечения образца. 27 Для пластичных материалов кроме механических характеристик определяются характеристики пластичности: остаточное относительное удлинение (1.31) и относительное остаточное сужение 100% (1.32) где  0 – длина расчетного участка образца до испытания; 1 – длина того же участка после испытания; А0 – площадь поперечного сечения до испытания; Аш – площадь поперечного сечения в месте разрыва образца. Для стали СТ3 δ ≥ 24 %, а для высокопрочных сталей типа 4ОХНМА и др. эта величина снижается до 7–10 %. Величина δ зависит от соотношения между длиной образца и его поперечными размерами. Величина ψ характеризует свойства пластичности более точно, чем δ, поскольку она в меньшей степени зависит от формы образца. Для СТ3 значение ψ составляет 50–60 %. При испытаниях материалов, наряду с отмеченными характеристиками прочности и пластичности материалов определяются еще полная А и удельная (а) работа, связанная с разрывом образца. Чем больше работы необходимо затратить на разрыв образца, тем больше энергии в состоянии поглотить материал, не разрушаясь, тем лучше он будет сопротивляться ударным нагрузкам, поглощая пластическую энергию удара. Работа, затраченная на разрушение образца, соответствует площади диаграммы растяжения оавсdеf (с учетом масштаба сил и деформаций). Удельная работа (количество работы, приходящейся на единицу объема) характеризует сопротивляемость материала воздействию ударным нагрузкам. Она определяется по формуле где А – работа, затраченная на разрушение образца. При практических расчетах величину работы можно определить по формуле где η – коэффициент полноты диаграммы, зависящий от марки стали. Для различных сталей η=0,80,9. Рассмотренные диаграммы (рис. 1.19, 1.21) характерны для малоуглеродистой стали типа СТ3. Однако для многих других марок стали, а также сплавов цветных металлов диаграммы растяжения не имеют площадок текучести. Характерный вид диаграммы для подобных материалов на рис. 1.22. Для таких материалов за величину предела текучести условно принимают 28 напряжение, при котором остаточное удлинение образца составляет 0,2%. Условный предел текучести обозначается 02. К материалам, для которых определяется условный предел текучести, относятся дюралюминий, бронза, высокоуглеродистые и легированные стали (например, для стали 37ХН3А 02 = 1000 МПа).