Теоретические предпосылки

Механические характеристики и свойства материалов

Работоспособность конструкционных материалов при различных видах нагружения определяется величинами, которые называют механическими характеристиками. Механические характеристики устанавливают границу безопасной эксплуатации элементов конструкций при статическом и динамическом (циклическом и ударном) нагружении. К числу механических характеристик относят предельные напряжения, твердость, удельная вязкость.

Величины механических характеристик могут быть получены в лабораторных условиях доведением образцов до разрушения или чрезмерной деформации. Наиболее распространены испытания на растяжение и сжатие, т.к. они относительно просты и дают достоверные результаты.

Все конструкционные материалы можно условно разделить на хрупкие и пластичные. К весьма пластичным материалам относят малоуглеродистые стали, алюминий, медь и некоторые другие. Эти материалы обладают способностью деформироваться в широких пределах без разрушения. Примерами хрупких материалов могут служить чугун, высокоуглеродистые сорта стали, металлокерамические материалы, стекло. Хрупкие материалы разрушаются без заметной предварительной деформации. Промежуточное положение занимают металлопластики, к которым могут быть отнесены многие легированные стали, дюралюминий, бронза.

2.2.2 Испытания на растяжение. Диаграмма растяжений. Испытания на растяжение осуществляют статическим нагружением испытательных образцов на специальных машинах (стендах). Для этого применяют стандартный цилиндрический образец (рисунок 2.2 а). Длина центрального цилиндра превышает его диаметр приблизительно в 15 раз. На цилиндре рисками выделяют участок для измерения деформации, длина которого , где – диаметр стержня до растяжения. Иногда для испытаний применяют плоские или малые цилиндрические образцы, у которых .

Рисунок 2.2 Испытания на растяжение:

а – испытательный образец (ИО)

б – ИО при испытания на разрыв

в – диаграмма растяжения (ДР)

г – ДР для малоуглеродной стали.

При растяжении образца в период испытаний регистрируют нагрузку на образец и его удлинение . По этим данным строят диаграмму растяжения, представляющую собой кривую . Большинство современных испытательных машин имеют устройство для автоматического вычерчивания диаграммы растяжения.

Количественная оценка физических свойств материала может быть сделана при помощи диаграммы растяжения в системе координат (). Здесь напряжение, откладываемое по вертикальной оси , где – площадь поперечного сечения образца до испытания. Относительное удлинение образца, откладываемое по горизонтальной оси , где - длина расчетного участка образца до испытания. Так как величина и постоянны, диаграмма имеет тот же вид, что и и отличается от нее только масштабами.

Диаграмма характеризует свойства испытуемого материала и носит название условной диаграммы растяжения.

Диаграмма растяжения образца из малоуглеродной стали (рисунок 2.2 в) характеризуется следующими четырьмя отличительными участками.

Участок I соответствует упругим деформациям материала образца. На этом участке справедлив закон Гука и величина деформации прямо пропорциональна растягивающему усилию (прямая ОА).

Участок II начинается после точки А, когда диаграмма становится нелинейной (криволинейной). Однако до точки В деформации остаются упругими, т.е. при разгрузке образец восстанавливает свою первоначальную форму и размеры. При дальнейшем увеличении нагрузки за точкой В появляются неупругие деформации. В точке С начинается процесс деформации детали без увеличения внешней нагрузки. Этот процесс называется процессом текучести материала. В зоне текучести у стальных образцов существенно меняются электропроводность и магнитные свойства.

Поверхность полированного образца покрывается линиями, наклонными к его оси (линии Чернова).

Участок III (ДК) характерен увеличением нагрузки, при которой происходит дальнейшая деформация образца. Этот участок называется зоной укорочения. Заканчивается участок при достижении максимальной нагрузки, воспринимаемой образцом.

Участок III начинается в точке К и заканчивается разрушением образца в точке R. Этот участок носит название зоны разрушения образца. Деформация образца на этом участке характерна образованием шейки и удлинением образца за счет утончения шейки (рисунок 2.2 б).

2.2.3 В соответствии с диаграммой растяжения вводят следующие основные характеристики материала:

1 Отношение растягивающего усилия в точке А к первоначальной площади поперечного сечения стержня

, (2.8)

называемое пределом пропорциональности. До предела пропорциональности сохраняет силу закон Гука.

2 Отношение растягивающего усилия в точке В к первоначальной площади поперечного сечения

, (2.9)

называемое пределом упругости. Как и в случае растяжения, принимается временное сопротивление.

Предел упругости – это такое напряжение, при котором величина относительной остаточной деформации не превышает 0,005%, т.е. предел упругости соответствует такому наибольшему напряжению, до которого материал сохраняет свои упругие свойства. На практике между пределом упругости обычно различия не делают в следствии малой величины расхождения их значений.

3 Отношение растягивающего усилия в точке С к первоначальной площади поперечного сечения стержня

, (2.10)

называемое пределом текучести.

Предел текучести – такое напряжение, при котором происходит рост деформации без увеличения нагрузки.

4 Отношение наибольшей нагрузки к первоначальной площади поперечного сечения стержня

(2.11)

называемое пределом прочности или временным сопротивлением. Предел прочности при растяжении обозначают , при сжатии . Предел прочности соответствует максимальному напряжению, возникающему в образце до его разрушения.

Диаграмма растяжения хрупких материалов показана на рисунке 2.2 г, где отклонение от закона Гука начинается при малых значениях деформирующей силы. Эта диаграмма не имеет площадки текучести, образцы разрушаются при очень малой остаточной деформации без образования шейки. За характеристику прочности хрупких материалов.

Дата добавления: 2014-12-16