Основные механические характеристики материалов

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Омский государственный технический университет»

РЕФЕРАТ

Основные механические

характеристики материалов

Выполнил: 

Проверил: 

Диаграмма растяжения

Построение диаграммы растяжения-сжатия является основной задачей испытаний на растяжение-сжатие. Для этих испытаний используются цилиндрические образцы; полученные диаграммы являются зависимостью между силой, действующей на образец, и его удлинением. На рис. 1 показана типичная для углеродистой стали диаграмма испытания образца в координатах P, Dl. Кривая условно может быть разделена на четыре зоны.

Зона ОА носит название зоны упругости. Здесь материал под­чиняется закону Гука и

Удли­нения Dl на участке ОА очень малы, и прямая ОА, будучи вы­черченной в масштабе, совпадала бы в пределах ширины линии с осью ординат. Величина силы, для которой остается справедли­вым закон Гука, зависит от размеров образца и физических свойств материала.

Зона АВ называется зоной общей текучести, а. участок АВ диаграммы — площадкой текучести. Здесь происходит существен­ное изменение длины образца без заметного увеличения нагрузки. В большинстве случаев при испытании на растяжение и сжатие площадка АВ не обнаруживается, и диаграмма растяжения образца имеет вид кривых, показанных на рис. 2. Кривая 1 ти­пична для алюминия и отожженной меди, кривая 2 — для высоко­качественных легированных сталей.

Зона ВС называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца сопровождается возрастанием нагрузки, но неизмеримо более мед­ленным (в сотни раз), чем на упругом участке. В стадии упрочнения на образце намечается место будущего разрыва и начинает образо­вываться так называемая шейка — местное сужение образца (рис.3). По мере растяжения об­разца утонение шейки прогрессирует. Когда от­носительное уменьшение площади сечения срав­няется с относительным возрастанием напряже­ния, сила Р достигнет максимума (точка С). В дальнейшем удлинение образца происходит с уменьшением силы, хотя среднее напряжение в поперечном сечении шей­ки и возрастает. Удлинение образца носит в этом случае местный характер, и поэтому участок кривой CD называется зоной местной текучести. Точка D соответствует разрушению образца. У многих материалов разрушение происходит без заметного образования шейки.

Если испытуемый образец, не доводя до разрушения, разгру­зить (точка К рис. 4), то в процессе, разгрузки зависимость между силой Р и удлинением Dl  изобразится прямой КL (рис. 4). Опыт показывает, что эта прямая параллельна прямой ОА.

При разгрузке удлинение полностью не исчезает. Оно уменьшается на величину упругой части удлинения (отрезок LM). Отрезок OL представляет собой остаточное удлинение. Его называют также пластическим удлинением, а соответствующую ему деформацию — пластической деформацией. Таким образом,

ОМ=Dlупр + Dlост.

Соответственно

e = eупр +  eост

  Если образец был нагружен в пределах участка ОА и затем раз­гружен, то удлинение будет чисто упругим, и Dlост = 0.

При повторном нагружении образца диаграмма растяжения при­нимает вид прямой LK и далее — кривой KCD (рис.4), как будто промежуточной разгрузки и не было.

Если взять два одинаковых образца, изготовленных из одного и того же материала, причем один из образцов до испытания нагружению не под­вергается, а другой — был пред­варительно нагружен силами, вызвавшими в образце остаточ­ные деформации.

Испытывая первый образец, мы получим диаграмму растя­жения OABCD, показанную на рис. 5, а. При испытании вто­рого образца отсчет удлинения будет производиться от ненагруженного состояния, и остаточное удлинение OL уч­тено не будет. В результате по­лучим укороченную диаграмму LKCD (рис. 5, б). Отрезок МК соответствует силе предваритель­ного нагружения. Таким образом, вид диаграммы для одного и того же материала зависит от степени начального нагружения (вытяжки), а само нагружение выступает теперь уже в роли неко­торой предварительной технологической операции. Весьма сущест­венным является то, что отрезок LK (рис. 5,б) оказывается больше отрезка ОА. Следовательно, в результате предварительной вытяжки материал приобретает способность воспринимать без остаточных деформаций большие нагрузки.

Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительного пластического деформирования носит название наклепа, или нагартовки, и широко используется в технике.

Например, для придания упругих свойств листовой меди или ла­туни, ее в холодном состоянии прокатывают на валках. Цепи, тросы, ремни часто подвергают предварительной вытяжке силами, превыша­ющими рабочие, с тем, чтобы избежать остаточных удлинений в даль­нейшем. В некоторых случаях явление наклепа оказывается нежела­тельным, как, например, в процессе штамповки многих тонкостен­ных деталей. В этом случае для того, чтобы избежать разрыва листа, вытяжку производят в несколько ступеней. Перед очередной опера­цией вытяжки деталь подвергается отжигу, в результате которого наклеп снимается.

Основные механические характеристики материала

Для того, чтобы оценить свойства не образца, а материала, перестраивается диаграмма растяжения P = f (Dl) в коорди­натах s и e. Для этого уменьшим в F раз ординаты и в l раз абс­циссы, где F и l — соответственно площадь поперечного сечения и рабочая длина образца до нагружения. Так как эти величины по­стоянны, то диаграмма s = f (e) имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, но будет характеризовать уже не свойства образца, а свойства ма­териала.

Наибольшее напряже­ние, до которого матери­ал следует закону Гука, называется пределов про­порциональности (sn).

Величина предела пропорциональности за­висит от той степени точности, с которой начальный участок диаграммы можно рассмат­ривать как прямую. Степень отклонения кривой s = f (e) от прямой s = Еe определяют по величине угла, который составляет касатель­ная к диаграмме с осью s. В пределах закона Гука тангенс этого угла определяется величиной 1/E. Обычно считают, что если вели­чина de/ds оказалась на 50% больше чем 1/Е, то предел пропор­циональности достигнут.

Упругие свойства материала сохраняются до напряжения, на­зываемого пределом упругости (sу) --- наибольшего напряжения, до которого материал не получает остаточных деформаций.

Для того чтобы найти предел упругости, необходимо после каждой дополнительной нагрузки образец разгружать и сле­дить, не образовалась ли остаточная деформация. Так как пластиче­ские деформации в отдельных кристаллах появляются уже в самой ранней стадии нагружения, ясно, что величина предела упругости, как и предела пропорциональности, зависит от требований точно­сти, которые накладываются на производимые замеры. Обычно оста­точную деформацию, соответствующую пределу упругости, прини­мают в пределах  eост= (1¸5) 10-5, т. е. 0,001 ¸ 0,005%. Соответ­ственно этому допуску предел упругости обозначается через s0.001 или s0.005

Следующей характеристикой является предел текучести --- напря­жение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки. В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести, за предел текучести при­нимается условно величина напряжения, при котором остаточная деформация eост = 0,002 или 0,2% (рис. 6). В неко­торых случаях устанавливается предел eост =0,5%.

Условный предел текучести обозначает­ся через s0.2 и  s0.5 зависимости от приня­той величины допуска .на остаточную де­формацию. Индекс 0,2 обычно в обозначе­ниях предела текучести опускается. Если необходимо отличить предел текучести на растяжение от предела текучести на сжа­тие, то в обозначение вводится соответственно дополни­тельный индекс «р» или «с». Таким образом, для предела текучести получаем обозначения sтр и sст.

Предел текучести легко поддается определению и является одной из основных механических характеристик материала.

Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения носит назва­ние предела прочности, или временного сопротивления, и обознача­ется через sвр ( сжатие — sвс).

sвр не есть напряжение, при котором разрушается образец. Если относить растягивающую силу не к на­чальной площади сечения образца, а к наименьшему сечению в дан­ный момент, можно обнаружить, что среднее напряжение  в наи­более узком сечении образца перед разрывом существенно больше, чем sвр. Таким образом, предел прочности также является услов­ной величиной. В силу удобства и простоты ее определения она прочно вошла в расчетную практику как основная сравнительная характеристика прочностных свойств материала.

При испытании на растяжение определяется еще одна харак­теристика материала — удлинение при раз­рыве d%.

Удлинение при разрыве представляет собой величину средней остаточной деформации, которая образуется к моменту разрыва на определенной стандартной длине образца. Определение d%. про­изводится следующим образом.

Перед испытанием на поверхность образца наносится ряд рисок, делящих рабочую часть образца на равные части. После того как образец испытан и разорван, обе его части составляются по месту разрыва (рис. 7). Далее, по имеющимся на поверхности рискам от сечения разрыва вправо и влево откладываются отрезки, имевшие до испытания длину 5d (рис. 7). Таким образом определяется сред­нее удлинение на стандартной длине l0 = 10d. В некоторых слу­чаях за l0 принимается длина, равная 5d.

Удлинение при разрыве будет следующим:

Возникающие деформации распределены по длине образца нерав­номерно. Если произвести обмер отрезков, расположенных между соседними рисками, можно построить эпюру остаточных удлине­ний, показанную на рис. 7. Наибольшее удлинение возникает в месте разрыва. Оно называется обычно истинным удлинением при разрыве.

Диаграмма растяжения, построенная с учетом уменьшения пло­щади F и местного увеличения деформации, называется истинной диаграммой растяжения (кривая OC'D' на рис. 8).

Пластичность и хрупкость. Твердость

Способность материала получать большие остаточные деформа­ции, не разрушаясь, носит название пластичности. Свойство пла­стичности имеет решающее значение для таких технологических опе­раций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др. Мерой пластичности является удлинение d при разрыве. Чем больше d, тем более пластичным считается материал. Противоположным свойству пластичности яв­ляется свойство хрупкости, т. е. способность ма­териала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Материалы, обладающие этим свойством, называются хрупкими. Для таких материалов величина удлинения при разрыве не превышает 2—5%, а в ряде случаев измеряется долями процента. К хрупким мате­риалам относятся чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, стекло, кирпич, камни и др. Диаграмма растяжения хруп­ких материалов не имеет площадки текучести и зоны упрочнения (рис. 9).

По-разному ведут себя пластичные и хрупкие материалы и при испытании на сжатие. Как уже упоминалось, испытание на сжатие производится на коротких цилиндрических образцах. Для малоуглеродистой стали диаграмма сжатия образца имеет вид кривой, показанной на рис. 10. Здесь, как и для растяжения, обнаруживается площадка текучести с последующим переходом к зоне упрочнения. В дальнейшем, од­нако, нагрузка не падает, как при растяжении, а резко возрастает. Происходит это в результате того, что площадь поперечного сечения сжатого образца увеличивается; сам образец вследствие трения на торцах принимает бочкообразную форму (рис. 11). Довести образец пластического материала до разрушения практически не удается. Испытуемый цилиндр сжимается в тонкий диск (см. рис. 11), и дальнейшее испытание ограничивается возможностями машины. Поэтому предел прочности при сжатии для такого рода материалов найден быть не может .

Иначе ведут себя при испы­тании на сжатие хрупкие материалы. Диаграмма сжатия этих материалов сохраняет качественные особенности диаграммы растяжения (см. рис. 9). Предел прочности хрупкого материала при сжатии определяется так же, как и при растяжении. Разрушение образца происходит с образованием тре­щин по наклонным или продольным плоскостям (рис. 12).

Сопоставление предела прочности хрупких материалов при рас­тяжении sвр с пределом прочности при сжатии sвр показывает, что эти материалы обладают, как правило, более высокими прочност­ными показателями при сжатии, нежели при растяжении. Величина отношения

для чугуна k колеблется в пределах 0,2 ¸ 0,4. Для керамических материалов k = 0,1 ¸ 0,2.

Для пластичных материалов сопоставление прочностных харак­теристик на растяжение и сжатие ведется по пределу текучести (sтр и sтс ). Принято считать, что sтр » sтс.

Существуют материалы, способные воспринимать при растяже­нии большие нагрузки, чем при сжатии. Это обычно материалы, имеющие волокнистую структуру, — дерево и некоторые типы пластмасс. Этим свойством обладают и некоторые металлы, например магний.  Деление материалов на пластичные и хрупкие яв­ляется условным не только потому, что между теми и другими не существует резкого перехода в показателе d. В зависимости от условий испытания многие хрупкие материалы способны вести себя как пластичные, а пла­стичные — как хрупкие.

Очень большое влияние на проявление свойств пластичности и хрупкости оказывает время нагружения и температурное воздей­ствие. При быстром нагружении более резко проявляется свойство хрупкости, а при длительном воздействии нагрузок — свойство пластичности. Например, хрупкое стекло способно при длительном воздействии нагрузки при нормальной температуре получать оста­точные деформации. Пластичные же материалы, такие, как мало­углеродистая сталь, под воздействием резкой ударной нагрузки проявляют хрупкие свойства.