Влияние различных факторов на механические характеристики материалов

Все части конструкций под действием нагрузок деформируются, т. е. изменяют свою форму и размеры, а в некоторых случаях происходит разрушение конструкции.

Для обеспечения безотказной работы конструкции в целом, в период нормативной долговечности сооружения, элементы конструкции рассчитываются на прочность, жесткость и устойчивость.

Расчеты на прочность дают возможность определить размеры и форму деталей, выдерживающих заданную нагрузку, при наименьшей затрате материала, то есть при наименьшем собственном весе конструкции.

Расчеты на жесткость гарантируют, что изменения формы и размеров конструкций и их элементов не превысят допустимых норм.

Под устойчивостью понимается способность конструкции сопротивляться усилиям, стремящимся вывести ее из исходного состояния равновесия. Расчеты на устойчивость предотвращают возможность внезапной потери устойчивости и искривления длинных или тонких деталей.

Из практики известно, что в процессе эксплуатации элементы конструкций испытывают следующие основные деформации: растяжение; сжатие; сдвиг; кручение; изгиб. Очень часто элементы конструкций подвергаются действию нагрузок, вызывающих одновременно несколько основных деформаций.

После прекращения действия внешних сил вызванная ими деформация может полностью или частично исчезнуть. Способность материала устранять деформацию после прекращения действия внешних сил называется упругостью. Деформация, исчезающая после прекращения действия внешних сил, называется упругой; деформация, не исчезающая после прекращения действия внешних сил, называется остаточной или пластической. Способность материала иметь значительные остаточные деформации, не разрушаясь при этом, называют пластичностью, а сами материалы называются пластичными. К числу таких материалов относятся низкоуглеродистая сталь, алюминий, медь, латунь и др.

Подчеркнем, что возникновение значительных остаточных деформаций в большинстве случаев приводит к нарушению нормальной работы конструкции и поэтому считается нарушением прочности (как и разрушение).

Материалы, обладающие весьма малой пластичностью, называются хрупкими. В отличие от пластичных хрупкие материалы разрушаются без заметных остаточных деформаций. К хрупким материалам относят чугун, твердые сплавы, стекло, кирпич и др.

Рассмотрим зависимость механических характеристик конструкционных материалов от их химического состава, внешних условий и условий нагружения, выделив наиболее существенные, характерные для типичных условий эксплуатации конструкций.

Влияние содержания углерода. Введение различных легирующих добавок в металлы позволяет значительно повысить прочностные характеристики сплавов. На рисунке показано влияние процентного содержания углерода на механические свойства конструкционной стали.

Влияние процентного содержания углерода

Как видно, с увеличением содержания углевода, временное сопротивление повышается в несколько раз; однако при этом значительно ухудшаются пластические свойства; относительное удлинение δ и относительное сужение ψ при разрыве уменьшаются.

Влияние температуры окружающей среды. Повышенные температуры оказывают существенное влияние на такие механические характеристики конструкционных материалов, как ползучесть и длительная прочность.

Ползучестью называют медленное непрерывное возрастание пластической (остаточной) деформации под воздействием постоянных нагрузок.

При изучении основных разделов курса “Сопротивление материалов” предполагается, что при неизменных по времени воздействиях, напряженно-деформированное состояние рассматриваемого тела остается неизменным. Однако многие материалы даже при комнатных температурах (свинец, латунь, бронза, алюминий и некоторые другие цветные металлы и сплавы, а также пластмассы, композиты на полимерной основе, стеклопластики, древесина, грунты, бетоны и асфальтобетоны) обладают способностью медленно деформироваться во времени при постоянных напряжениях. Это свойство материалов называют ползучестью (или крипом).

Ползучесть опасна тем, что остаточные изменения размеров деталей нарушают расчетный режим работы узлов и всей машины: изменяются условия соединения деталей, требуемые натяги и зазоры, ухудшаются эксплуатационные параметры машин. Расчетом многих деталей машин ползучесть конструкционных сталей при низких температурах обычно не учитывается. Однако нужно иметь в виду, что даже малые остаточные изменения размеров и формы деталей под действием остаточных или рабочих напряжений могут оказаться недопустимыми и приведут к потере эксплуатационных качеств оборудования и приборов.

В целом ряде случаев ползучесть играет положительную роль, например, снижая возникающие напряжения в зонах их концентрации. Учет ползучести оказывается необходимым для разработки мероприятий (технологий получения), позволяющих предотвратить образование трещин в деталях и элементах конструкций (бетонные массивы, детали из стеклопластика и композитов).

Деформация ползучести у металлов представляет собой необратимую (пластическую) деформацию материала и может рассматриваться как медленная текучесть металла. В результате развития пластических деформаций за счет ползучести в ряде случаев происходит изменение величины напряжений и перераспределение их по объему детали. Изменение величины напряжений будет особенно значительным тогда, когда вследствие тех или иных особенностей работы детали полная деформация ее с течением времени не сможет изменяться. В этом случае упругая деформация детали, полученная при нагружении, с течением времени будет уменьшаться; за счет этого возникнет и будет постепенно увеличиваться пластическая деформация. Вместе с тем, напряжения в детали будут снижаться. Такое уменьшение напряжений в результате постепенного нарастания пластической деформации за счет упругой (при постоянной во времени полной деформации) носит название релаксации напряжений. В таких условиях работают напряженные резьбовые соединения, пружины, насаженные на валу с натягом диски турбин и другие детали. В условиях эксплуатации необходимо, чтобы за межремонтный период натяг не уменьшался до величины допустимого уровня.

Всякое сопротивление ползучести не означает, что материал имеет хорошую релаксационную стойкость. Это объясняется тем, что процесс релаксации происходит при суммарной (упругой и пластической) деформации металла порядка 0,1%, а ползучесть – при пластической деформации порядка нескольких процентов.

Длительной прочностью называется зависимость разрушающих напряжений (временного сопротивления) от длительности эксплуатации.

Свойства ползучести и длительной прочности проявляются у углеродистых сталей при t > 300^oС, для легированных сталей при t > 350^oС, для алюминиевых сплавов при t > 100^oС.

Некоторые материалы проявляют эти свойства и при обычных температурах.

Мерой оценки ползучести материала является предел ползучести — напряжение, при котором пластическая деформация за определенный промежуток времени достигает заданной величины. В некоторых случаях сопротивление ползучести оценивается величиной скорости деформации по прошествии заданного времени. При обозначении предела ползучести указывается величина деформации, время и температура испытаний. Например, для жаропрочного сплава ХН77ТЮР при температуре 700^oС за время 100 часов и деформации ползучести 0,2%, предел ползучести составляет 400 МПа:

σ_0,2/100(700) = 400 МПа

Ползучесть сопровождается релаксацией напряжений — самопроизвольным уменьшением напряжений с течением времени при неизменной деформации.

Релаксацией напряжений называется процесс самопроизвольного изменения(обычно уменьшение) напряжений в нагруженных деталях при постоянной полной деформации. При этом снижение напряжений происходит вследствие постепенного уменьшения упругой деформации и приращения на ту же величину вязкоупругой и вязкопластической составляющих деформации (для металлов чаще на величину вязкопластической деформации) по схеме:

Кривая релаксации схематически изображена на рисунке:

Процесс релаксации напряжений можно представить так: образец длиной l закладывается в захваты испытательной машины и растягивается на величину и оставляется в этом положении.

Полная деформация в начале деформирования равна упругой и постоянна. Но с течением времени упругая деформация ”перерождается” в пластическую, и когда то напряжения будут равны нулю. Материал стремится ”сбросить” с себя нагрузку. Режим нагружения, показанный на рисунке называют жестким.

Процесс релаксации можно разделить на несколько стадий, но чаще выделяют две стадии: первую, в течение которой снижение напряжений в нагруженной детали происходит весьма быстро с резко уменьшающейся скоростью релаксации, и вторую, в течение которой снижение напряжения происходит значительно медленнее с постепенно убывающей скоростью релаксации. Длительность первой стадии релаксации в зависимости от рода материала, а также величины температуры и начального напряжения меняется очень значительно.

Обычно принимают, что нарастание вязкопластической деформации в процессе релаксации подобно нарастанию ее при ползучести и поэтому скорость релаксации можно вычислять по скорости ползучести. Однако скорость релаксации нельзя принимать за скорость ползучести, так как эти два процесса по существу не вполне тождественны, механизм возникновения и нарастания вязкопластической деформации при релаксации несколько иной, чем при ползучести. При релаксации уменьшение напряжений в детали вызывается нарастанием вязкопластической деформации за счет упругой деформации при неизменной длине детали, а при ползучести нарастание вязкопластической деформации происходит исключительно за счет удлинения детали. При этом общая деформация при ползучести значительно больше, чем при релаксации.

Скорость релаксации напряжений возрастает при повышении температуры.

Мерой скорости релаксации служит время релаксации—промежуток времени, в течение которого напряжение уменьшается по сравнению с начальным значением в е=2,718 раза.

Прочность материала при повышенных температурах оценивается пределом длительной прочности — напряжением, при котором материал разрушается не ранее заданного времени. При обозначении предела длительной прочности указывается продолжительность нагружения и температура испытания. Так, для сплава ХН77ТЮРпри температуре 700^oС и времени 1000 часов предел длительной прочности составляет 330 МПа . При кратковременных испытаниях для этого же сплава при температуре 700^oС пределы прочности и текучести соответственно равны: σ_В = 830 МПа,σ_0,2 = 560 МПа.

Влияние повышенных температур на характеристики прочности и пластичности можно проследить на следущих рисунках, где представлены осредненные результаты экспериментов:

Влияние температуры на упругие свойства

Влияние температуры на пластические свойства: для 1 — углеродистой стали, содержащей 0,15% углерода; 2 — 0,40% углерода, 3—хромистой стали.

Прочность углеродистых сталей с повышением температуры до 650—700^oС снижаетсяпочти в десять раз. Наиболее резкое снижение σ_В наблюдается для алюминиевыхсплавов. Наибольшими значениями σ_В при высоких температурах обладают литые жаропрочные сплавы, содержащие 70—80% никеля. Снижение пределов текучести σ_Т с повышением температуры происходит примерно так же, как и снижение σ_В.

Для углеродистых сталей характерным является ухудшение пластических свойств (охрупчивание) при температурах около 300^oС (кривая 2 см. выше).

Влияние температур на упругие свойства. Температурный коэффициент линейного расширения и температурный коэффициент модуля упругости связаны между собой соотношением η+αm=0, или η/α = -m =const,

где r и m — постоянные, характеризующие параметры кристаллической решетки.

Зависимость безразмерного модуля упругости Е/Е₀конструкционных материалов от температуры (E₀— модуль упругости материала при обычной температуре): 1 — нержавеющая сталь; 2 — алюминиевые сплавы, 3 —углеродистые стали, 4 — титановые сплавы

Для сталей с повышением температуры испытаний с 25 до 450^oС модули упругости Е и G уменьшаются на 20—40%, при этом, начиная с 300—400^oС наблюдается расхождение между значениями модулей, определенными при статических и динамических испытаниях.

Изменение модулей упругости при малых колебаниях температуры (от –50 до +50^oС) незначительно и им обычно пренебрегают.

Диаграммы упруго-пластического деформирования конструкционных материалов

Основным опытом для определения механических характеристик конструкционных материалов является опыт на растяжение призматического образца центрально приложенной силой, направленной по продольной оси; при этом в средней части образца реализуется однородное напряженное состояние.

Форма, размеры образца и методика проведения испытаний определяются соответствующими стандартами, например, ГОСТ 34643—81, ГОСТ 1497-73. По результатам испытаний строится зависимость σ=f (ε) между напряжениями σ=F/A и деформациями ε=Δl/l , которая называется диаграммой деформирования.

Опыты на растяжение образцов выявляют некоторые общие свойства конструкционных материалов—свойства упругости и пластичности. Рассмотрим типичные кривые деформирования при растяжении образцов из материала сталь 30 и сталь 40Х.

Характерные диаграммы растяжения

Если напряжения не превышают предела пропорциональности (первая точка на диаграмме), и зависимость между напряжениями и деформациями линейна, то она описывается законом Гука σ=εЕ , где Е — модуль продольной упругости материала.

Размерность модуля упругости — Н/м² (Паскаль). Значение модуля упругости Е на кривой деформирования численно равно тангенсу угла наклона линейного участка: Е = tgβ. Таким образом, величину Е можно рассматривать как характеристику упругого сопротивления или как характеристику интенсивности — нарастания напряжения с увеличением деформации.

Физический смысл коэффициента Е определяется как напряжение, необходимое для увеличения длины образца в два раза. Такое толкование довольно искусственно, поскольку величина упругого удлинения у большинства твердых тел редко достигает даже 1%.

Напряжения, являющиеся верхней границей проявления чисто упругих деформаций, соответствуют точке 2 диаграммы и называются пределом упругости σ_упр .

Точка 3 диаграммы характерна тем, что при достижении напряжениями величины σ = σ_т ( σ_т— предел текучести), дальнейшее удлинение образца (для малоуглеродистых сталей) происходит практически без увеличения нагрузки. Это явление носит название текучести, а участок диаграммы, расположенный непосредственно правее точки 3,называется площадкой текучести. При этом полированная поверхность образца мутнеет, докрывается ортогональной сеткой линий (линии Чернова—Людерса), расположенных под углом 45^o к продольной оси образца—по направлению плоскостей действия максимальных касательных напряжений.

У многих конструкционных материалов площадка текучести не выражена столь явно, как у малоуглеродистых сталей. Для таких материалов вводится понятие условного предела текучести σ_s; это напряжение, которому соответствует остаточная (пластическая) деформация, равная s %. Обычно принимается s = 0,2%. Поэтому условный предел текучести часто обозначается как σ_0,2.

После площадки текучести для дальнейшего увеличения деформации необходимо увеличение растягивающей силы. Материал снова проявляет способность сопротивляться деформации; участок за площадкой текучести (до точки 4) называется участком упрочнения. Точка 4 соответствует максимальной нагрузке, выдерживаемой образцом. Соответствующее напряжение называется временным сопротивлениемσ_в(или пределом прочности σ_пч ).

Дальнейшая деформация образца происходит без увеличения или даже с уменьшением нагрузки вплоть до разрушения (точка 5). Точке 4 на диаграмме соответствует начало локального уменьшения размеров поперечного сечения образца, где, в основном, сосредоточивается вся последующая пластическая деформация.

Диаграмма, приведенная на рисунке выше, является диаграммой условных напряжений, условность состоит в том, что все силы относились к первоначальнойплощади поперечного сечения образца; в действительности же при растяжении площадь поперечного сечения образца уменьшается. Если учитывать текущее значение площади поперечного сечения при определении напряжений, то получим диаграмму истинных напряжений.

Диаграмма истинных напряжений

Если в некоторый момент нагружения (точка А на рисунке «Характерные диаграммы растяжения») прекратить нагружение и снять нагрузку, то разгрузка образца пойдет по линии АВ, параллельной линейному участку диаграммы 0—1. При этом полная деформация в точке А равна:

ε =ε^(е)+ ε^(р)

где ε^(е) = σ/Е — упругая деформация, ε^(р)— пластическая (остаточная деформация). Уравнение это справедливо для любой точки диаграммы.

Эффект Баушингера. После того как материал испытал воздействие осевого усилияодного знака (например, растяжение) в области пластических деформаций (σ>σ_т),сопротивляемость этого материала пластической деформации при действии сил другого знака (сжатие) понижается. Это явление носит название эффекта Баушингера.

При растяжении образца происходит не только увеличение его длины, но и уменьшение размеров поперечного сечения, т. е. в упругой области деформация в поперечном направлении ε’ = -με, где ε— деформация в продольном направлении, μ— коэффициент Пуассона. Для изотропных материалов значения коэффициента Пуассона находятся в пределах от 0 до 0,5 .

Характеристиками пластичности материала являются относительное удлинение δ и относительное сужение ψ при разрыве:

, где l₀, А₀— длина рабочей части образца и площадь поперечного сечения до деформации; l_к — длина рабочей части образца после разрыва; А_К — конечная площадь поперечного сечения в шейке образца после разрыва.

По величине относительного удлинения δ при разрыве проводится разделение состояния материалов на пластичное и хрупкое. Материалы, имеющие к моменту разрушения достаточно большие значения δ>10%, относят к пластическим материалам; к хрупким относят материалы с относительным удлинением δ<3%.

Оценка пластических свойств материала может быть проведена по такой характеристике, как ударная вязкость, равная отношению работы, затрачиваемой на ударное разрушение образца [Дж или H·м] к площади поперечного сечения образца в месте концентратора, [м² или см²].

Работа деформации W при разрушении образца может быть определена по диаграмме растяжения σ=f (ε). Так, если первоначальная длина образца l₀, то работа деформации, совершаемая силой F на перемещении и:

где u_к — перемещение в момент, предшествующий разрушению. Тогда по зависимости σ= F/A₀=f (ε) и ε=u/l₀, находим

где W₁— площадь диаграммы деформирования (работа деформации на единицу объема материала).

Для сталей ударная вязкость 50—100 Н·м/см². Материалы с ударной вязкостью менее 30 Н· м/см² относят к числу хрупких.

Некоторые пластичные материалы в районе площадки текучести обнаруживают особенность (например, титан), называемую «зубом текучести»; для таких материалов вводится понятие верхнего и нижнего предела текучести.

Экспериментальное изучение свойств материалов при сжатии проводится на короткихобразцах с тем, чтобы исключить возможность искривления образца. Для пластичных материалов характер диаграммы σ=f (ε при сжатии примерно до возникновения текучести такой же, как и при растяжении. В процессе деформации сжатия образец укорачивается; при этом размеры поперечного сечения увеличиваются. Из-за трения между опорными плитами нагружающего устройства и торцевыми поверхностями образца он принимает бочкообразную форму. Для ряда пластичных материалов обнаружить напряжение, аналогичное временному сопротивлению при растяжении, не удается, так как образец сплющивается.

Хрупкие материалы проявляют значительно лучшую способность сопротивляться деформациям сжатия, чем деформациям растяжения; для них разрушающее напряжение при сжатии превышает предел прочности при растяжении в несколько раз. Разрушение хрупких материалов при сжатии происходит за счет образования трещин.

Механические состояния деформируемых тел

В упругом состоянии деформации обратимы, и вся энергия, затраченная на деформирование, при разгрузке возвращается (диссипация энергии отсутствует). Для любого твердого тела процесс деформирования начинается с упругой деформации.

Изотропное тело имеет две константы упругости— модуль упругости Е и коэффициент Пуассона μ .

Для анизотропных тел число упругих констант в общем случае равно 21. Из основных констант упругости можно получить их производные—модуль сдвига G, модуль объемной деформации К и постоянную Ламе λ.

Вязкое сопротивление — это сопротивление, в некотором смысле противоположное упругому. Работа внешних сил, уравновешенных силами вязкого сопротивления, полностью рассеивается в виде тепла. Вязкое сопротивление определяется величиной касательной силы, необходимой для поддержания ламинарного скольжения слоев, или течения с определенной скоростью. Таким образом, вязкость можно определить как сопротивление течению.

Представление о вязкоупругой деформации дает поведение моделей, сочетающих свойства вязкости и упругости в такой последовательности: при нагружении тела в нем возникает мгновенная упругая деформация, подчиняющаяся закону Гука; далее при том же максимальном напряжении наблюдается вязкая деформация, подчиняющаяся закону Ньютона.

Наиболее распространенными в теории линейной вязкоупругости являются реологические модели Максвелла и Фойгта (более подробно об этом — здесь), дающие связь между напряжениями и деформациями и скоростями их изменения:

— модель Максвелла,

— модель Фойгта,

где η— коэффициент вязкости.

Пластическое состояние—характеризуется наличием остаточных деформаций, фиксируемых после снятия внешних нагрузок. Объем тела при пластической деформации не изменяется; условие постоянства объема записывается в виде , (эксперименты показывают, что изменение объема не превышает 0,5%).

В случае, когда все напряжения изменяются пропорционально одной из составляющих, в процессе пластической деформации направления главных деформацийсовпадают с направлениями главных нормальных напряжений, направления максимальных сдвигов — с направлениями максимальных касательных напряжений, а главные направления девиатора напряжений — с главными направлениями девиатора деформаций.

Одной из распространенных моделей поведения материала при упругопластических деформациях является модель пластичности, основанная на деформационной теории Генки—Ильюшина.

Высокоэластическое состояние — наиболее характерно для полимеров; особенностями этого состояния являются большая изменяемость формы и деформирование без изменения объема. Для материалов, находящихся в высокоэластическом состоянии, наблюдается существенная зависимость их свойств от длительности и скорости нагружения, температуры и т. д.

Состояние разрушения — состояние, при котором за счет интенсивного развития трещин в материале тела начинается нарушение его сплошности и непрерывности. Физический процесс разрушения материала представляется в виде двух основных стадий — стадии рассеянных разрушений (зарождение и развитие микроскопических трещин) и стадии развития магистральной трещины. Очаги зарождения микротрещин распределены по всему объему материала, находящегося в однородном напряженном состоянии, достаточно равномерно. Относительная длительность первой и второй стадии разрушения зависит от свойств материала, характера напряженного состояния и условий нагружения.

Механические характеристики конструкционных материалов

Механические характеристики определяются следующими факторами: веществом, его структурой и свойствами; конструктивными особенностями элемента, т. е. размерами, формой, наличием концетраторов, состоянием поверхности; условиями при нагружении: температурой, скоростью, повторяемостью нагрузки и др.Конструкционные материалы в процессе деформирования вплоть до разрушения ведут себя по-разному.

Пластичное поведение характеризуется существенным изменением формы и размеров, при этом к моменту разрушения развиваются значительные деформации, не исчезающие после снятия нагрузки. Такие материалы называют пластичными.

При хрупком поведении разрушение наступает при весьма малых деформациях, и материалы с такими свойствами называют хрупкими.

Однако одни и те же конструкционные материалы, находящиеся в различных условиях деформирования, также ведут себя по-разному: при одних условиях проявляют себя как пластичные материалы, при других—как хрупкие.

В связи с этим, основные макромеханические характеристики материалов — упругость, пластичность, вязкость и др. правильнее относить не к их свойствам, а к состояниям материала.

Наклеп

Рассмотрим диаграмму растяжения малоуглеродистой стали.

Если испытуемый образец не доводить до разрушения, а разгрузить (например, в точке Н — выше предела текучести), то в процессе разгрузки зависимость между силой Р и удлинением Δℓ изобразится прямой НМ, которая будет параллельна ОА.

Длина разгруженного образца будет больше первоначальной на величину ОН. Отрезок ОМ представляет собой остаточное или пластическое удлинение.

При повторном нагружении образца диаграмма растяжения принимает вид прямой НМ и далее – кривой НСД, как будто промежуточной разгрузки и не было, часть диаграммы, левее точки, от которой производилась разгрузка — не повторяется.

Мы видим, таким образом, что в результате предварительной вытяжки материала за предел текучести, меняются свойства этого материала, а именно — повышается предел пропорциональности и уменьшается пластичность.

Это явление имеет название — наклеп (нагартовка).

В результате предварительной вытяжки материал приобретает способность выдерживать большие нагрузки без остаточных деформаций. Повышаются упругиесвойства материала.

В некотором смысле можно говорить, что в результате наклепа материал упрочняется. Эту мысль следует пояснить. Из рисунка видно, что диаграмма растяжения до наклепа имеет площадку текучести, а после наклепа площадки текучести не будет. Значит до наклепа в качестве предельного напряжения используется предел текучести σ_т, а после наклепа — условный предел текучести σ_0,2 ,при этом σ_0,2> σ_т.т.е.наклеп привел к повышению предельного напряжения, т.е., к упрочнению. Если на диаграмме площадка текучести вообще отсутствует, то в результате наклепа повысится условный предел текучести.

Наклеп может быть как полезен, так и нежелателен.

Специально его создают для тросов, цепей, проводов, арматуры для железобетонных конструкций, с тем, чтобы избегать остаточных удлинений. Для меди (листовой) или латуни при требовании упругих свойств, листы подвергаются холодной прокатке на валках.

Нежелателен наклеп при изготовлении клепаных конструкций — если отверстия пробиваются на прессах , то материал у краев оказывается наклепанным, хрупкость его повышена, что опасно с точки зрения возникновения трещин. В этой ситуации пробивают отверстия меньшего диаметра, чем требуется, и рассверливают их до необходимого размера, удаляя наклепанную часть. Также наклеп появляется при штамповке тонкостенных деталей, что может приводить к разрыву листов (в этом случае вытяжку производят ступенчато).

Механические и пластические свойства материалов

При проектировании элементов конструкции и деталей машин необходимо знать механические и пластические свойства материалов. Для этого изготавливаются стандартные образцы, которые подвергаются разрушению в испытательной машине. Для испытания на растяжение рекомендуется применять цилиндрические и плоские образцы. Расчетная длина цилиндрических образцов должна быть равной ℓ₀=5d₀ или ℓ₀=10d₀. Образцы с расчетной длиной ℓ₀=5d₀ называются короткими, а образцы с ℓ₀=10d₀ – длинными. Применение коротких образцов предпочтительнее. В качестве основных применяют образцы диаметром d₀=10 мм. Образцы с меньшими (иногда большими) диаметрами или некруглого поперечного сечения называются пропорциональными. Расчетная длина ℓ₀ на образце отличается рисками.

Расчетную длину образца можно выразить через площадь поперечного сечения:

Таким образом, для коротких образцов:

для длинных образцов:

Эти соотношения используются для определения расчетной длины образцов прямоугольного поперечного сечения.

Соотношения между рабочей ℓ и расчетной ℓ₀ длинами принимают:

для цилиндрических образцов: от ℓ = ℓ₀ + 0,5d₀ до ℓ = ℓ₀ + 3d₀;

для плоских образцов толщиной 4 мм и больше:

Основной задачей испытания на растяжение является построение диаграммы растяжения, т. е. зависимости между силой, действующей на образец и его удлинением.

Испытательная машина сообщает образцу принудительное удлинение и регистрирует силу сопротивления образца, т. е. нагрузку, соответствующую этому удлинению. Результаты опыта записываются с помощью диаграммного аппарата на бумагу в виде диаграммы растяжения в координатах F – Δℓ. Типичная для малоуглеродистой стали диаграмма растяжения образца показана на рисунке.

Данную кривую условно можно разделить на четыре участка. Прямолинейный участок ОА называется участком упругости. Здесь материал образца испытывает только упругие деформации. Зависимость между нагрузкой на образец и его деформацией подчиняется закону Гука:

Δℓ=Fℓ/ЕА

Удлинение Δℓ на участке ОА очень мало.

Участок ВК называется участком общей текучести, а отрезок ВК – площадкой текучести. Здесь происходит существенное изменение длины образца без заметного увеличения нагрузки. Наличие площадки текучести является характерным для малоуглеродистой стали.

Участок КС называется участком упрочнения. Здесь материал вновь обнаруживает способность повышать сопротивление при увеличении деформации. Область упрочнения материала на диаграмме растяжения простирается до точки С, ордината которой равна наибольшей нагрузке на образец F_max.

Начиная с точки С резко меняется характер деформации образца. При возрастании нагрузки на образец от 0 до F все участки образца удлинялись одинаково – образец испытывал равномерную деформацию. По достижении максимальной нагрузки деформация образца начинает сосредотачиваться в каком-то наиболее слабом месте по его длине. В дальнейшем удлинение образца происходит с уменьшением силы (участок СД). Удлинение образца при этом носит местный характер. В этом месте образца интенсивно уменьшаются размеры поперечного сечения (образуется так называемая шейка) и увеличивается длина этого участка. Поэтому участок СД называется участком местной текучести. Точка Д на диаграмме соответствует разрушению образца.

Если испытуемый образец не доводить до разрушения, разгрузить (например, в точке Н), то в процессе разгрузки зависимость между силой Р и удлинением Δℓ изобразится прямой НМ, которая будет параллельна ОА. Длина разгруженного образца будет больше первоначальной на величину ОН. Отрезок ОМ представляет собой остаточное или пластическое удлинение. При повторном нагружении образца диаграмма растяжения принимает вид прямой НМ и далее – кривой НСД, как будто промежуточной разгрузки и не было.

Ряд пластичных материалов (легированные стали, бронзы, латуни, алюминиевые сплавы, титановые сплавы и др.) не имеют физического предела текучести. На диаграмме растяжения таких материалов , после точки В происходит быстрое возрастание пластической деформации. Уловный предел текучести F_т соответствует точке В на диаграмме растяжения, определяется как нагрузка, при которой пластическая деформация равна 0,2 %.

Чтобы дать количественную оценку механическим свойствам материала диаграмму растяжения F= f (Δℓ) (перестраивают в координатах . Для этого значения силы F делят на первоначальную площадь образца А₀, т. е. = F/ А₀, а удлинение Δℓ делятся на первоначальную длину расчетной части образца ℓ₀,

В результате получаем диаграмму зависимости нормального напряжений от относительной продольной деформации, которая будет характеризовать свойства материала, а не свойства конкретного образца . Эта диаграмма называется условной, так как при вычислении и не учитываются изменения длины и площади поперечного сечения образца в процессе растяжения.

Основными механическими характеристиками являются:

Предел пропорциональности: σ_пц= F_пц / А₀

Предел текучести: σ_{т =}F_т/ А₀

Предел прочности: σ_в= F_в / А₀

Характеристики пластичности:

относительное удлинение

относительное сужение

где А_ш – площадь сечения образца (шейки) в самом узком месте после разрушения.

Удельная работа деформации: а = F_вΔℓ / V,

где V – объем испытуемого образца,

V = А₀·ℓ₀.

Напомним, что максимальные напряжения σ_в не могут превышать 1200 МПа у конструкционных материалов.

Диаграмма сжатия пластичных материалов

Образцы из стали закладывают в испытательную машину и подвергают сжатию.

В первой стадии нагружения стального образца материал испытывает упругие деформации. Зависимость между прикладываемой силой и деформацией на диаграмме линейная. Через некоторое время после начала испытания материал достигает состояния текучести. Стрелка силометра при этом останавливается, и на диаграмме ординаты перестают расти. Образец деформируется при постоянной нагрузке. Нагрузку, соответствующую состоянию текучести F_Т материала записываем в журнал испытаний. При дальнейшем сжатии образца показания силометра вновь начинают возрастать. Образец непрерывно сжимается, поперечное сечение его увеличивается, и при отсутствии смазки по торцам образца он приобретает бочкообразную форму. Это объясняется тем, что между опорными плитами и торцами образца действует сила трения, которая не дает возможности частям образца, примыкающим к опорным плитам, двигаться в поперечном направлении. Смазкой торцов образца это явление можно ослабить.

Стальной образец довести до разрушения не удается. Испытание прекращается при нагрузке примерно в два раза больше предела текучести F_Т. Вид образцов до и после испытания показан на рисунке. Типичная диаграмма сжатия малоуглеродистой стали в координатах F – Δℓ показана на рис. справа.

Диаграмма растяжения и сжатия хрупких материалов

Методика испытания хрупких материалов такова, как и для испытания пластичных. Поэтому остановимся на основных отличиях в поведении хрупких материалов. На рисунке показана диаграмма сжатия (кривая 1) и растяжения (кривая 2).

У хрупких материалов всегда отсутствует площадка текучести, хотя многие материалы обладают определенными пластическими свойствами. Для этих материалов за опасное состояние принимается предел прочности. Следует всегда помнить, что предел прочности у хрупких материалов во много раз больше при сжатии. У чугуна эта величина достигает 3-4 раза. Что касается строительных материалов, то эта разница может достигать десятикратного размера.

Литература

Материаловедение. Курс лекций_

Богодухов С.И. Курс материаловедения в вопросах и ответах: Учеб. пособие для ВУЗов, обуч. по направлению подгот. бакалавров «Технология, оборуд. и автомат. машиностр. пр-в» и спец. «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты» и др. / С.И. Богодухов, В.Ф. Гребенюк, А.В. Синюхин. – М.: Машиностроение, 2003. – 255с.: ил.
Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учеб. для студентов немашиностроительных спец. ВУЗов. – М.: Высшая школа, 1990. – 446с., ил.
Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для студентов электротехнических и электромеханических спец. ВУЗов / С.Н. Колесов, И.С. Колесов. – М. Высшая школа, 2004. – 518с.: ил.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.Н. Материаловедение. Учебник для ВУЗов технич. спец. – 3-е изд. – М. Машиностроение, 1990. – 528с.
Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебник для ВУЗов / Ю.П. Солнцев, В.А. Веселов, В.П. Демьянцевич, А.В. Кузин, Д.И. Чашников. – 2-е изд., перер., доп. – М. МИСИС, 1996. – 576с.
Материаловедение и технология металлов: Учебник для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. – М.: Высшая школа, 2000. – 637с.: ил.
Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие для студентов ВУЗов, обуч. по напр. «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» / А.В. Шишкин и др.; под ред. В.С. Чередниченко. – 3-е изд., стер. – М.: ОМЕГА-Л, 2007. – 751с.: ил.(Высшее техническое образование).– (Учебное пособие)
Материаловедение: Учебник для ВУЗов, обучающих по направлению подготовки и специализации в области техники и технологии / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. – 5-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 646с.: ил.
Тарасов В.Л. Технология конструкционных материалов: Учеб. для ВУЗов по спец. «Технология деревообработки» / Моск. гос. ун-т леса. – М.: Изд-во Моск. гос. ун-т леса, 1996. – 326с.: ил.
Технология конструкционных материалов. Учебник для студентов машиностроительных специальностей ВУЗов в 4 ч. Под ред. Д.М. Соколова, С.А. Васина, Г.Г Дубенского. – Тула. Изд-во ТулГУ. – 2007.
Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных ВУЗов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. – 5-е изд., испр. – М. Машиностроение, 2003. — 511с.: ил.

Posted in Материаловедение,Строительные конструкции,Строительные материалы

ТехЛиб СПБ УВТ

Влияние различных факторов на механические характеристики материалов