Конструкционных материалов

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Лекция 3

При проектировании конструкций и расчетах на прочность необходимо знать поведение материалов под нагрузкой. Для этого на специальных машинах проводят испытания образцов, что позволяет определить механические характеристики материала, т.е. характеристики, численно оценивающие его прочность и пластичность.

ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Наибольшее распространение получили опыты на растяжение образцов. Типы и размеры образцов устанавливаются ГОСТом для того, чтобы результаты испытаний, проведенных в разных лабораториях, можно было сравнивать между собой. На рис.3.1 показаны основные типы применяемых образцов.

	Цилиндрические образцы:
	а) нормальный образец d =10мм l0 =10 d
	б) малый образец d =5мм l0 =5 d
	Плоский образец l0 =

Рис. 3.1

По краям образцы имеют утолщения для захватов испытательной машины. Расстояние между утолщениями называют рабочей длиной образца.

База образца l₀ (расчетная длина) помечается рисками, нанесенными на некотором расстоянии от утолщений, что позволяет в соответствии с принципом Сен – Венана считать эту часть образца находящейся в состоянии осевого растяжения.

В учебных целях обычно применяются малые цилиндрические образцы, которые испытывают, на разрывных машинах типа ИМ-4Р,

1 – червячная передача;

2,4 – захваты:

3 – образец;

5 – циферблат силоизмерителя;

6 – диаграммный аппарат;

7 – маятник силоизмерителя.

Рис. 3.2

Испытательная машина такого типа, схема которой показана на рис.3.2, автоматически вычерчивает график зависимости между растягивающей силой F и удлинением образца D l, который называют диаграммой растяжения.

Рис. 3.3

На рис.3.3 изображен типичный вид диаграммы для малоуглеродистой стали, как примера наиболее распространенного пластичного конструкционного материала. Рассмотрим характерные участки и точки этой диаграммы:

OA – прямая, справедлив закон Гука;

AB – закон Гука нарушается, но при снятии нагрузки образец полностью восстанавливает свои первоначальные размеры;

CD – площадка текучести, удлинение образца происходит при постоянной нагрузке;

DM – зона упрочнения, требуется увеличение нагрузки для дальнейшего растяжения образца;

M – точка, соответствующая наибольшей силе, достигнутой при испытании. До точки M деформации распределены по длине образца равномерно, поэтому участок BM иногда называют зоной равномерных упругопластических деформаций;

MK – зона местных деформаций, в начале которой на образце появляется сужение («шейка»), где затем и происходит основной рост деформаций, приводящий к разрыву образца;

K - точка диаграммы, соответствующая моменту разрыва образца.

Если с некоторой произвольной точки диаграммы Е начать разгружать образец, то этот процесс опишется прямой ЕЕ^’, практически параллельной начальному участку ОА. Отрезок ОЕ^’’ равен полному удлинению в точке Е и складывается из остаточной (отрезок ОЕ^’) и упругой (отрезок Е^’Е^’’) частей.

Если теперь начать вновь растягивать образец, то диаграмма пойдёт примерно по прямой E^’E, а затем вдоль линии EMK так, как будто разгрузки и повторной нагрузки не было. Иными словами, при нагружении образца выше предела текучести и последующей разгрузке металл меняет свои свойства: исчезает площадка текучести, повышается предел пропорциональности, уменьшается относительное удлинение при разрыве – материал становится более хрупким. Это явление называется наклёпом, оно возникает не только при растяжении, но и при других видах нагружения. Иногда наклёп вызывается специально, иногда он является нежелательным следствием предшествующих методов механической обработки. В этих случаях с ним приходится бороться, в частности с помощью отжига изделия.

Чтобы исключить влияние на результаты испытаний размеров образца, диаграмму растяжения перестраивают в другом масштабе(рис.3.4). По вертикальной оси откладывают не саму растягивающую силу, а её отношение к первоначальной площади поперечного сечения образца А ₀, которое называют условным нормальным напряжением:

По горизонтальной оси соответственно откладывается линейная деформация, которая находится делением абсолютного удлинения образца на начальную длину l ₀:

Полученный таким образом график называют диаграммой условных напряжений, или условной диаграммой растяжения.

Рис. 3.4

Характерные точки условной диаграммы используются для нахождения основных механических характеристик материала.

Характеристики прочности:

- предел пропорциональности – наибольшее напряжение, при котором ещё справедлив закон Гука; по ГОСТу предел пропорциональности соответствует точке условной диаграммы, в которой тангенс угла наклона касательной к графику изменяется по сравнению с первоначальным на 50 процентов;

- предел упругости - наибольшее напряжение, до которого при разгрузке не обнаруживается остаточная деформация; по ГОСТу за величину принимается напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0.05 %;

- предел текучести – наименьшее напряжение, при котором деформация растёт без увеличения нагрузки;

- временное сопротивление или предел прочности – напряжение, соответствующее наибольшей силе, выдерживаемой образцом.

Несмотря на ниспадающий характер диаграммы на участке MK, напряжения после достижения предела прочности не снижаются, а возрастают. Это обусловлено тем, что площадь поперечного сечения в шейке образца уменьшается быстрее, чем снижается нагрузка. Отношение растягивающей силы в точке K диаграммы к действительной площади сечения в шейке А _к называется истинным сопротивлением разрыву:

Эта величина значительно больше предела прочности материала, её можно трактовать как аналог точки K^′ с диаграммы истинных напряжений. Истинная диаграмма показана пунктиром, её построение вызывает большие технические сложности, поскольку требует знания текущего значения площади поперечного сечения в каждый момент нагружения. По этой причине истинную диаграмму на практике применяют довольно редко.

Характеристики пластичности:

- относительное остаточное, равномерное удлинение – необратимая часть деформации, соответствующая пределу прочности;

- относительное удлинение после разрыва – выраженное в процентах отношение приращения расчётной длины образца после разрыва к его начальной длине;

- относительное сужение образца после разрыва– выраженное в процентах отношение уменьшения площади поперечного сечения в шейке к первоначальной площади.

Эти характеристики также носят условный характер, поскольку в знаменателе приведённых формул стоят величины, измеренные до начала испытаний, а не их текущие значения. Однако они вполне отвечают своему назначению – служить количественной оценкой при сравнении пластических свойств различных материалов.

Отметим, что некоторые материалы не имеют на диаграмме растяжения выраженной площадки текучести. В этом случае вместо предела текучести σ_Т вводят понятие условного предела текучести σ_0,2 - напряжения, при котором остаточные деформации достигают 0,2%.. На рис.3.5 показаны для сравнения условные диаграммы растяжения таких материалов.

Рис. 3.5

ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА СЖАТИЕ

Испытанию на сжатие подвергают образцы в форме коротких цилиндров, высота которых составляет от одного до трёх диаметров, или кубиков. При этом используются универсальные испытательные машины, принципиальная схема которых приведена на рис.3.6.

I – пресс;

II – силоизмеритель;

III – насосная станция;

1,3 – захваты;

2 – образец;

4 – рабочий цилиндр;

5 – поршень;

6 – поршень силоизмерителя;

7 – цилиндр силоизмерителя;

8 – диаграммный аппарат;

9 – маятник силоизмерителя.

Рис. 3.6

Диаграмма сжатия пластичных материалов имеет свои особенности по сравнению с диаграммой растяжения, поскольку образец не разрушается, а превращается в диск. На результаты таких испытаний существенно влияет трение, возникающее между опорными плитами машины и торцами образца, которое препятствует перемещению материала в поперечном направлении. Вследствие этого цилиндрические образцы в процессе сжатия приобретают бочкообразную форму. Для уменьшения этого эффекта обычно применяют различные смазки.

Рис. 3.7

Наклон линейного участка диаграмм при растяжении и сжатии не меняется, что говорит о постоянстве модуля упругости. У пластичных материалов при сжатии и растяжении примерно одинаковы так же предел упругости и предел текучести. Для таких материалов характеристики, аналогичные пределу прочности, относительному удлинению и относительному сужению при разрыве, при испытаниях на сжатие получить нельзя. По этой причине для пластичных материалов результаты испытаний на сжатие мало что добавляют к результатам испытаний на растяжение. На практике испытаниям на сжатие подвергают лишь хрупкие материалы, которые, как правило, имеют разную прочность при растяжении и сжатии. Разрушение образцов из хрупкого материала при сжатии обычно происходит вследствие сдвига одной части образца относительно другой с образованием трещин. Для металлических материалов трещины, как правило, ориентированы по плоскостям наибольших касательных напряжений, т.е. примерно под углом к оси. Для неметаллических материалов, таких как древесина, бетон, натуральный камень, ориентация трещин определяется структурой материала и может быть как наклонной, так и продольной. На рис. 3.8 для наглядности показаны в одних координатных осях диаграммы растяжения и сжатия малоуглеродистой стали и чугуна. При этом учтено, что напряжение и деформация при сжатии имеют отрицательные значения.

Рис. 3.8

Верхние индексы ”с ” в характеристиках соответствуют сжатию, ”p ” – растяжению.

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В описанных испытаниях материалов механические характеристики определялись при нормальных условиях – температуре 20˚ С и малой скорости нагружения. Однако реальные условия работы конструкций могут сильно отличаться от лабораторных. Например, элементы авиационных и ракетных двигателей и конструкции доменных печей работают при повышенных температурах, элементы холодильных установок – при пониженных, элементы атомных энергоустановок испытывают действие проникающих излучений и т.д. Очевидно, что от условий эксплуатации зависят и механические свойства материалов.

Дата добавления: 2014-01-06