Предел текучести является основной механической характеристикой при оценке прочности пластичных материалов

Рис. 4.9.

Однако наличие площадки текучести для металлов не является характерным. В большинстве случаев диаграмма растяжения образца имеет вид кривых (рис. 4.10). Кривая 1 типична для алюминия, а кривая 2- для высококачественных легированных сталей.

Рис. 4.10

Для материалов, не имеющих на диаграмме площадки текучести, принимают условный предел текучести _0,2 – напряжение, при котором пластическая (остаточная) деформация составляет 0,2%. Для того чтобы определить условный предел текучести, не надо разгружать образец и измерять остаточную деформацию. Установленный закон упругой разгрузки позволяет определить эту величину непосредственно по диаграмме растяжения. Для этого нужно отложить по оси абсцисс отрезок, равный 0,2% или 2*10^-3, и провести через его конец прямую, параллельную начальному линейному участку диаграммы. Ордината точки пересечения этой прямой с диаграммой и есть условный предел текучести, обозначаемый _0,2.

После стадии текучести материал снова приобретает способность сопротивляться деформированию, но зависимость между нагрузкой и деформацией образца уже не подчиняется закону Гука, а имеет более сложный закон, которому отвечает восходящий участок ДЕ диаграммы (см. рис. 4.8), называемый зоной упрочнения. Кроме упругого удлинения, образец получает значительное остаточное (пластическое) удлинение.

Точка Е диаграммы соответствует временному сопротивлению или пределу прочности.

Временным сопротивлением называется условное напряжение, равное отношению максимальной силы, которую выдерживает образец F_max, к первоначальной площади его поперечного сечения А₀ (для стали Ст.3 s_в = 370…470 МПа):

(4.16)

На образце при этом значении силы деформации перестают равномерно распределяться по длине образца, а концентрируются в наиболее слабом месте, образуя резкое местное сужение сечения, так называемую «шейку» (рис. 4.11), остальная же часть образца не деформируется. Это ведет к падению растягивающей силы, хотя напряжения в шейке непрерывно растут.

Рис. 4.11

Измеряя диаметр в шейке и вычисляя минимальную площадь, определяют напряжения, т.е. ординаты истинной диаграммы, показанной на рис.4.8 штриховой линией, но соотнести эти ординаты с определенными значениями абсцисс, т.е. с деформациями, уже невозможно, т.к. неизвестно, к какой начальной длине следует отнести приращение длины, чтобы вычислить деформацию.

По мере дальнейшего растяжения образца минимальное сечение в шейке продолжает уменьшаться и, наконец, происходит разрыв, и условное напряжение в этой точке равно:

(4.17)

А истинное напряжение (истинный предел прочности) равно:

, (4.18)

где А_м – площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Зона ЕМ называется зоной местной текучести. Истинные напряжения в момент разрыва (в шейке) в образце из стали Ст.3 достигают 900…1000 МПа. Точка М диаграммы соответствует разрушению образца.

Если в некоторой точке К участка упрочнения диаграммы (см. рис. 4.8) испытуемый образец полностью разгрузить, то процесс разгрузки пойдет по прямой КК₁. Многочисленные испытания показывают, что прямая разгрузки КК₁ параллельна прямой начального нагружения ОА. Отрезок ОК₁ равен пластической (остаточной) деформации e_п, а отрезок К₁К₂ – упругой деформации e_у, соответствующей точке К. Отрезок ОК₂ – полная деформация e:

(4.19)

Если повторно начать нагружать образец, то диаграмма пойдет примерно по линии К₁К, образуя небольшую петлю, называемую петлей гистерезиса (заштрихована), получаемую в образце вследствие необратимых потерь энергии на внутреннее трение. И начиная с точки К диаграмма пойдет так, как будто не было разгрузки и повторного нагружения образца.

Из сравнения двух приведенных диаграмм: первичной ОАВСДЕМ и повторной К₁КЕМ (см. рис. 4.8) видно, что при нагружении образца выше площадки текучести и последующей его разгрузки металл изменил свои свойства:

· исчезла площадка текучести;

· повысился предел пропорциональности;

· уменьшилась полная деформация при разрыве, т.е. материал стал более хрупким.

Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительного пластического деформирования называется наклепом.

Наклеп наблюдается не у всех материалов и даже не у всех металлов, таких, например, как свинец, олово и др. Явление наклепа широко используется в технике. Например, цепи, тросы, ремни часто подвергают предварительной вытяжке силами, превышающими рабочие, с тем чтобы избежать остаточных удлинений в дальнейшем. В тех же случаях, когда наклеп нежелателен, его устраняют с помощью специальной термообработки.

Степень пластичности материала может быть охарактеризована (в %) остаточным удлинением d и относительным сужением y шейки образца после разрыва.

(4.20)

,

где - первоначальная длина образца;

- длина образца после разрыва;

А₀ - первоначальная площадь поперечного сечения образца;

А_м - площадь наименьшего поперечного сечения шейки образца после разрыва.

Чтобы определить длину расчетной части образца после разрыва, нужно сложить две части разорванного образца и измерить расстояние между двумя заранее нанесенными рисками.

Чем больше d и y, тем пластичнее материал. Для марки стали Ст.3 d» 25…27%, y» 60…70%.

На рис 4.8 показана условная диаграмма растяжения, обозначенная ОАВСДЕМ, поскольку при ее построении не учитывается изменение значений А₀ и в процессе испытания. Поэтому определенные ранее пределы пропорциональности, текучести и временное сопротивление являются условными. Истинные же напряжения в каждый момент времени будут превосходить условные. Заметное расхождение истинных напряжений от условных происходит после предела текучести, так как сужение сечений образца становится более значительным. Особенно сильно возрастает разница между напряжениями после образования шейки. Начинают расти и истинные удлинения. Диаграмма напряжений, построенная с учетом сужения площади поперечного сечения А₀ и местного увеличения деформаций, называется диаграммой истинных напряжений (на рис. 4.8 она показана пунктиром), которая используется, как правило, для теоретических исследований при решении задач образования больших деформаций.

Способность материала получать большие остаточные деформации, не разрушаясь, носит название пластичности. Обычно, если d > 5%, то материал считают пластичным. К пластичным материалам относятся малоуглеродистая сталь, медь, алюминий, латунь, дюраль, свинец, бронза и т.д.

Противоположным свойству пластичности является свойство хрупкости, т.е. способности материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций (обычно, если d < 5%, материал считается хрупким). К хрупким материалам относятся чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, стекло, кирпич и т.д.

Диаграмма растяжения хрупкого материала показана на рис. 4.12.

s

e

Рис. 4.12

На ней отсутствует площадка текучести, разрушение образца практически происходит без остаточных деформаций, шейка на образце не образуется. Поэтому основной характеристикой хрупкого материала является временное сопротивление.

Часто, выбирая материал для изготовления той или иной конструкции, предпочитают менее прочный, но более пластичный материал, имеющий меньший предел текучести и меньший предел прочности, но большее удлинение при разрыве. Это видно из следующего опыта. Нож, изготовленный из закаленной стали высокого качества, легко ломается. Полоса же простого, например, кровельного железа легко гнется, но сломать ее непросто. Поэтому конструкция из относительно малопрочного материала может выйти из строя, получив недопустимо большие деформации, но разрушение не будет носить катастрофического характера.

Дата добавления: 2014-01-06