Механические характеристики материалов

Закон Гука

При приложении к твердому телу механической нагрузки в начале происходит упругая деформация, исчезающая после снятия нагрузки. При этом необратимая деформация может оказаться ничтожно малой, но ее наличие проявляется в так называемом упругом гистерезисе.

Согласно элементарному закону Гука для изотропного тела в направлении приложения внешней силы упругая деформация линейно связана с напряжением: σ = E ε, где E – модуль Юнга (модуль упругости).

Элементарный закон Гука для сдвиговой деформации при действии касательных напряжений: τ = G g, где G – модуль сдвига; g – деформация сдвига. Связь между E и G определяется через коэффициент Пуассона ν: G = E / 2(1 + ν).

Модуль упругости Е характеризует сопротивляемость материала упругой деформации: чем больше модуль упругости, тем меньше деформация при заданной нагрузке.

Статические испытания на растяжение. Этими испытаниями определяют пределы пропорциональности, упругости, текучести, прочности и характеристики пластичности металлов. Для таких испытаний изготовляют плоские и круглые образцы (рис. 5.1а,б), форма и размеры которых установлены ГОСТом. Цилиндрические образцы диаметром d₀ = 10 мм, имеющие расчетную длину l₀ = 10d₀, называют нормальными, а образцы, у которых длина l₀ = 5d₀— короткими. При испытании на растяжение образец растягивается под, действием плавно возрастающей нагрузки и доводится до разрушения.

Разрывные машины снабжены специальным самопишущим прибором, который автоматически вычерчивает кривую деформации, называемую диаграммой растяжения. Разрывные машины последних поколений с помощью датчиков удлинения и усилия позволяют следить за диаграммой на экране компьютера. На рис. 5.3в показана типичная диаграмма растяжения в координатах: нагрузка Р — удлинение Δl. Эта диаграмма может быть преобразована в диаграмму: напряжение σ — относительная деформация ε, т. к. напряжение — это величина нагрузки Р, отнесенная к площади F₀ поперечного сечения образца: σ=P/F₀, а относительная деформация при растяжении - отношение удлинения к начальной длине образца: ε= Δl/l₀.

Диаграмма отражает характерные участки и точки, позволяющие определить ряд свойств металлов и сплавов. На участке О - Р_пц удлинение образца увеличивается прямо пропорционально возрастанию нагрузки. При повышении нагрузки свыше Р_пц на участке Р_пц - P_уп, прямая пропорциональность нарушается, но деформация остается упругой (обратимой). На участке выше точки P_уп возникают заметные остаточные деформации и кривая растяжения значительно отклоняется от прямой. При нагрузке Р_т, появляется горизонтальный участок диаграммы — площадка текучести Т-Т¹. Такая площадка наблюдается главным образом у деталей из низкоуглеродистой стали. На кривых растяжения хрупких металлов площадка текучести отсутствует. Выше точки Р_Т, нагрузка возрастает до точки А, соответствующей максимальной нагрузке Р_В, после которой начинается ее падение, связанное с образованием шейки и разрушением образца. После образования шейки происходит падение нагрузки до точки В, образец удлиняется и происходит его разрушение. С образованием шейки разрушаются только пластичные металлы.

Рис.5.3. Статические испытания на растяжение: а и б стандартные образцы для испытания на растяжение; в - диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой (пластичной) стали

Усилия, соответствующие основным точкам диаграммы растяжения, позволяют установить следующие характеристики сопротивления металла деформации, выраженные в мегапаскалях, МПа:

предел пропорциональности σ_пц — наибольшее напряжение, до которого сохраняется прямая пропорциональность между напряжением и деформацией:

предел упругости σ_уп — напряжение, при котором пластические деформации впервые достигают некоторой малой величины, характеризуемой определенным допуском (обычно 0,05 %):

предел текучести σ _т — напряжение, начиная с которого деформация образца происходит почти без дальнейшего увеличения нагрузки:

Если площадка текучести по диаграмме растяжения данного материала отсутствует, то определяется условный предел текучести σ_0,2 — напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %;

предел прочности (временное сопротивление разрушению) σ_в — напряжение, которое равно отношению наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца, к первоначальной площади его сечения:

Предел прочности является обязательной характеристикой в стандартах марок стали.

Кроме указанных показателей при статическом растяжении определяют характеристики пластичности металлов. Показатели пластичности металлов — относительное удлинение и относительное сужение рассчитывают по результатам геометрических измерений образца до и после испытания.

Относительное удлинение δ рассчитывается как отношение прироста длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине, выраженное в процентах:

где l₁ — длина образца после разрыва, мм; l₀ — расчетная (начальная) длина образца.

Относительное сужение ψ определяется отношением уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженным в процентах,

здесь F₀ — начальная площадь поперечного сечения образца; F₁ - площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

Дата добавления: 2015-04-25