Диаграммы растяжения упруго-пластических материалов

Различают условные и истинные диаграммы растяжения-сжатия материалов в координатах σ – ε. При построении уcловных диаграмм изменение площади поперечного сечения А_о в процессе нагружения силой F не учитывается (т. е. условно принимается, что , где d_o – начальный диаметр образца). При построении истинных диаграмм учитывается изменение площади поперечного сечения А в процессе нагружения силой F. Основное применение в настоящее время имеют условные диаграммы деформирования материалов.

Типовая условная диаграмма растяжения низкоуглеродистых сталей (с содержанием углерода 0,09…0,25%) приведена на рисунке 27,а. В начальной стадии нагружения до точки 1 (на участке 0-1) диаграмма растяжения представляет собой наклонную прямую, что указывает на пропорциональную зависимость между напряжением σ (нагрузкой F) и деформацией ε (удлинением Δl), т. е. свидетельствует о справедливости закона Гука. Наибольшая нагрузка F_пц, при которой эта пропорциональность не нарушается используется для определения предела пропорциональности стали – одной из ее основных механических характеристик:

.

Таким образом, – предел пропорциональности материала – это наибольшее напряжение, до которого существует прямо пропорциональная зависимость между нагрузкой и деформацией. При напряжении остаточная деформация после разгрузки достигает 0,05%. Для широко применяемой в строительных и машиностроительных конструкциях стали марки Ст3 предел пропорциональности .

а) б)

σ σ

5 5

σ_в σ_в

σ₄ 4 6 σ_пц= σ₄ 4 6

σ_т 2 3

σ_пц 1

0 ε 0 ε

ε_4ост ε_4упр

ε₄

- при растяжении

(%) - при сжатии

- истинная диаграмма

Рисунок 27. Условные диаграммы растяжения (сжатия) низкоуглеродистых сталей:

при однократном нагружении до разрушения а); при повторном

нагружении после разгрузки от напряжения σ₄ б)

Зона 0-1 называется зоной упругости, по характеристикам которой определяют значение модуля упругости материала при продольных (линейных) деформациях Е (, где α – угол наклона линии 0-1 к оси ε диаграммы).

После σ_пц деформации образца начинают расти быстрее, чем напряжение, и диаграмма становится криволинейной. Чуть выше точки 1 находится точка (на рисунке 27, не показана), соответствующая пределу упругости материала σ_у – такому наибольшему напряжению, при

котором в материале после разгрузки практически не обнаруживаются признаки остаточной (пластической) деформации. У большинства металлов значения σ_пц и σ_у незначительно отличаются друг от друга. Обычно принимают, что они практически совпадают. Для стали марки Ст3 σ_у = 205÷210 МПа.

Дальнейшее увеличение нагрузки (напряжения) приводит к тому, что наступает момент (точка 2), когда деформации продолжают расти практически без увеличения нагрузки (напряжения), диаграмма на участке 2-3 становится почти горизонтальной. Материал образца как бы «течет». Участок 2-3 часто называют площадкой текучести материала. Наименьшее напряжение, при котором образец материала деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки F_т, приводящей к текучести, называется физическим пределом текучести стали:

.

Предел текучести является одной из важнейших механических характеристик материала, на основе которой оценивается прочность элементов конструкций. Для стали Ст3

У сталей повышенной и высокой прочности (а также у бронзы, дюралюминия и др.) площадка текучести при испытаниях практически не обнаруживается, поэтому для таких сталей определяется условный предел текучести – это такое напряжение, при котором после разгрузки остаточная деформация образца составляет 0,2%.

В процессе текучести материала происходят изменения его внутренней структуры, приводящие к упрочнению и материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению и диаграмма за точкой 3 поднимается вверх, хотя гораздо более полого, чем на участке 0-1. Точка 5 диаграммы соответствует максимальной силе F_тах и максимальному условному напряжению , называемому временным сопротивлением или пределом прочности материала:

.

При напряжении в каком-либо месте рабочего участка образца появляется резкое местное сужение (шейка), площадь сечения образца в шейке быстро уменьшается и, как следствие, затем падает усилие и условное напряжение. Таким образом, временное сопротивление (предел прочности) материала – это наибольшее статическое напряжение при растяжении, соответствующее началу разрушения тела. Для стали марки Ст3 = 370÷470 МПа.

Зона 3-5 диаграммы называется зоной упрочнения материала. Точка 6 соответствует моменту разрыва образца. Сила, соответствующая точке 6, называется разрушающей F_разр, а напряжение

– истинным сопротивлением разрыву (истинным пределом прочности), где – минимальная площадь поперечного сечения шейки при разрыве.

Зона 5-6 называется зоной местной текучести. У стали Ст3

Помимо рассмотренных характеристик прочности при испытаниях определяют также характеристики пластичности материалов:

- относительное удлинение после разрыва % – это отношение приращения длины образца после разрыва к ее первоначальной длине l_o, определяемое по формуле

,

где l₆ – длина образца после разрыва (измеряется после стыковки двух частей разорванного образца);

- относительное сужение после разрыва, определяемое по формуле

,

где – начальная площадь поперечного сечения образца до испытаний;

– минимальная площадь поперечного сечения шейки при разрыве.

К примеру, у стали марки Ст3 значения относительных характеристик пластичности следующие: % = 25÷27%, Ψ% = 60÷70%.

Механические характеристики прочности (, , ) и относительные показатели пластичности (%, Ψ%) материалов, применяемых в различных конструкциях и устройствах, приводятся в общих (см., например, [19]) и специализированных инженерных справочниках.

Если образец нагрузить до любого напряжения σ в пределах от 0 до предела пропорциональности σ_пц (см. зону 0-1 на рисунке 27,а), а затем снять нагрузку (разгрузить), то деформация ε, соответствующая такому σ, после разгрузки полностью исчезнет: материал в этой зоне напряжений работает чисто упруго, внутренние упругие силы в материале полностью вернут образец к первоначальной длине l_o.

Если же образец нагрузить до некоторого напряжения σ₄ с относительной деформацией ε₄ (см. рисунок 27,а) за пределом текучести материала, а затем разгрузить, то процесс разгрузки будет идти от точки 4 по наклонной линии со стрелкой, параллельной первоначальному упругому участку 0-1 диаграммы. При этом после полной разгрузки деформация ε₄ полностью не исчезает, а распределяется на две составляющих – упругую ε_4упр и остаточную (или пластическую) ε_4ост деформации. Образец получит остаточную деформацию (его длина будет уже больше первоначальной длины l_o). Материал теряет значительную часть своего ресурса пластичности, его механические характеристики изменяются. Если такой образец снова нагрузить, то диаграмма деформирования его уже будет иной – см. рисунок 27,б: упругий участок 0-4, параллельный 0-1, станет длиннее (соответственно увеличивается значение предела пропорциональности), линия повторной нагрузки проходит через ту же точку диаграммы, с которой начался процесс предыдущей разгрузки; при дальнейшем нагружении после точки 4 кривая деформирования продолжается так, если бы не было промежуточной разгрузки. Таким образом, у материала образца после предварительного деформирования за предел текучести улучшились упругие свойства (возросли предел пропорциональности и предел упругости), но ухудшились пластические

свойства (уменьшается остаточное удлинение после разрыва и соответственно повышается хрупкость). Описанное явление изменения упругих характеристик материала в результате предварительного пластического деформирования называют наклёпом, широко используемым в инженерной практике (например, материал проволок стальных канатов грузоподъемных машин подвергают предварительной вытяжке для уменьшения остаточных удлинений, которые могут возникать при эксплуатации канатов; аналогичной обработке подвергают некоторые виды арматуры железобетонных конструкций и др.).

Диаграммы растяжения сталей повышенной и высокой прочности (средне- и высокоуглеродистых, низколегированных, легированных) не имеют явно выраженной площадки текучести, их общая конфигурация подобна диаграмме, изображенной на рисунке 27,б. Там же показана остаточная деформация , которая получается при установлении условного предела текучести таких сталей.

На рисунке 27,а штрих-пунктирной линией показана также истинная диаграмма деформирования низкоуглеродистых сталей, при построении которой учитывается изменение (уменьшение) площади поперечного сечения А образца при растяжении, т. к. уменьшается его диаметр. Такие диаграммы применяются, преимущественно, в различных теоретических исследованиях. В инженерной практике, как указывалось выше, в основном используются характеристики, полученные из условных диаграмм деформирования.

Дата добавления: 2014-01-11