Механические свойства материалов, определяемые при статическом нагружении

ЛЕКЦИЯ № 3

Механические свойства материалов определяют поведение материала при деформации и разрушении под действием внешних нагрузок.

В зависимости от условий нагружения механические свойства определяют:

- при статическом нагружении, когда нагрузка на образец возрастает медленно и плавно;

- при динамическом нагружении, когда нагрузка на образец возрастает с большой скоростью то есть имеет ударный характер;

- при повторно-переменном или циклическом нагружении, когда нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению одновременно.

Механические свойства при статическом нагружении определяют путем растяжения, сжатия, изгиба, кручения стандартных образцов определенной формы и размеров, изготовленных из исследуемого материала. Испытания проводят с помощью специальных машин и механизмов.

3.1.Условная диаграмма растяжения

Испытания материалов на растяжение проводят на разрывных машинах. Для испытаний применяют образцы, изображенные на рис. 23.1.

Разрывная машина с помощью самописца в процессе растяжения образца строит первичную диаграмму растяжения в координатах F (нагрузка) – Δ l (абсолютное удлинение образца) (рис. 23.82). Абсолютное удлинение Δ l определяют по формуле

Δ l = l_i - l₀,

где l_i и l₀ – текущая и начальная длина образца, соответственно.

а) б)

Рис. 2.73.1. Образцы для определения механических характеристик металлов при растяжении:

l ₀, l _к – начальная и конечная длина образца; d ₀, d _к – начальный и конечный диаметр образца; А ₀, А _к – начальная и конечная площади поперечного сечения образца, F – растягивающая сила

Δ l l

F

Рис. 2.8.3.2. Первичная диаграмма растяжения: F – растягивающая сила,

D l – абсолютное удлинение

По первичной диаграмме строят условную диаграмму растяжения в координатах σ(напряжение) - ε(текущая относительная деформация) (рис. 2.8.3.3).

На рис. 2.9.3.3 представлена диаграмма растяжения пластичного материала, например, низкоуглеродистой стали. При этом:

σ = F/A ₀, (Па, МПа),

где F - нагрузка, н; A ₀ – площадь поперечного сечения образца, м²;
A ₀= π d /4, d ₀ – начальный диаметр образца, м;

В качестве ε используют текущее относительное удлинение образца

,

или текущее относительное сужение

где A_i и A ₀ – текущая и начальная площадь поперечного сечения образца, соответственно; Δ А – абсолютное сужение образца.

σ_в

σ_в

ε, %

ε_упр

ε_Σ

ε_пл

σ_м

σ_пц

σ_у

σ_т

α

σ, МПа

σ_к

Рис. 2.9.3.3. Условная диаграмма растяжения пластичного материала (низкоуглеродистая сталь):

σ - напряжение, e - относительная деформация

Рассмотрим участки условной диаграммы растяжения и характеристики материала, определяемые по диаграмме:

- ОА – участок пропорциональности, здесь между напряжением и деформацией существует прямая пропорциональная зависимость;

- σ_пц – предел пропорциональности – наибольшее напряжение, до которого существует прямая пропорциональная зависимость между σ и ε, то есть справедлив закон Гука σ = Е ε, где Е – модуль Юнга или модуль нормальной упругости;

σ_пц = F_А /A₀,

где F_А – нагрузка, соответствующая точке А;

- ОВ – зона упругости; здесь при растяжении материала возникают только упругие (обратимые) деформации, пластическая (необратимая) деформация отсутствует;

- σ_у – предел упругости - наибольшее напряжение до которого в материале не обнаруживается признаков пластической деформации;

σ_у = F_В /A₀,

где F_В – нагрузка, соответствующая точке В;

- СD – площадка текучести; здесь деформация увеличивается при постоянной нагрузке;

- σ_т – физический предел текучести – напряжение при котором материал пластически деформируется без увеличения нагрузки;

σ_т = F_СD /A₀,

где F_CD – нагрузка, соответствующая линии CD;

- DE – зона упрочнения; происходит упрочнение материала за счет увеличения дефектов кристаллической решетки;

- σ_в – предел прочности или временное сопротивление – наибольшеенапряжение, которое может выдержать материал без разрушения;

σ_в= F_E /A₀,

где F_Е – нагрузка, соответствующая точке Е;

- точка Е – образование местного сужения («шейки») – начало разрушения образца;

- ЕК – зона местной текучести, здесь происходит уменьшение диаметра шейки;

- точка К – момент разрушения образца;

- σ _к – напряжение разрушения образца;

σ _к = F_к /A₀,

где F_к – нагрузка, соответствующая точке К;

Диаграмма σ – ε позволяет определить составляющие относительной деформации образца. Например для произвольного напряжения σ _м отрезок ОО ₁ определяет пластическую деформацию (ε_пл), а отрезок О ₁ О ₂ – упругую деформацию (ε_упр). Общая деформация определяется по выражению:

ε_общ = ε_упр + ε_пл

Рассмотрим диаграмму σ–ε для малопластичного материала, например, для низколегированной стали (рис. 23.94а). На диаграмме отсутствует участок текучести. Вместо физического предела текучести для малопластичного материала применяют условный предел текучести.

Условный предел текучести (σ_0,2) – напряжение при котором относительная остаточная деформация (ε_пл) достигает значения 0,2 %:

σ_0,2 = F _0,2 /A₀,

где F _0,2 – растягивающая сила при ε_пл = 0,2 %.

Рассмотрим диаграмму σ – ε для хрупкого материала (белый чугун, стекло, кирпич и др.) (рис. 23.94б). Разрушение такого материала происходит в точке Е без предварительной пластической деформации. На диаграмме отсутствует прямолинейный участок ОА.

Относительное удлинение при разрыве очень мало (2 - 5 % и менее). Материал характеризуют пределом прочности σ_в = F_Е /A₀ и секущим модулем E_s:

E_s = tgα = σ_A/ε_A,

где σ_A – среднее рабочее напряжение в детали, ε_A – относительная деформация в точке А.

σ_вσ _0,2

σ_вσ_А

σ_в

σ, МПа

σ, МПа

а) (б)

Рис. 2.103.4. Диаграммы растяжения малопластичного (а) и хрупкого (б) материалов

Дата добавления: 2017-01-13