Испытание материалов на растяжение-сжатие, определение механических характеристик

Лекция №4 Испытание материалов на растяжение-сжатие. механических характеристик. Предел прочности. Определение Для решения практических задач необходимо иметь еще числовые характеристики прочностных свойств материалов. При изучении процессов гибки и штамповки нужны числовые показатели, характеризующие способность материала пластически деформироваться. В ряде случаев надо иметь данные о способности материала противостоять действию температур и т.д. В связи с этим создано много различных видов испытаний, но основными и наиболее распространенными являются испытания на растяжение и сжатие. С их помощью удается получить наиболее важные характеристики материала, находящие прямое применение в расчетной практике. Для испытания на растяжение используют специально изготовленные образцы, которые большей частью вытачивают из прутковых заготовок или вырезают из листа. Основной особенностью таких образцов является наличие усиленных мест захвата и плавного перехода к сравнительно узкой ослабленной рабочей части. На рис. 4.1 показано несколько типов таких образцов. Длину рабочей части L0 выбирают обычно раз в 15 большей диаметра d0. При замерах деформаций используют только часть этой длины, не превышающую десяти диаметров. В случае прямоугольного сечения в качестве характеристики, определяющей рабочую длину L0, принимают диаметр равновеликого круга d0. Рис. 4.1 На рис. 4.2,а показана диаграмма растяжения образца упругого материала (малоуглеродистая сталь) в координатах F(∆l) – «нагрузка-удлинение». Рис. 4.2 Рассмотрим характерные участки и точки диаграммы: Участок 0-1 – участок линейной зависимости между удлинением и нагрузкой, называемый зоной упругости. На этом участке выполняется закон Гука. Если в любой точке участка начать снимать нагрузку, то образец примет свои первоначальные размеры, т.е. все деформации являются упругими. Точка 1, обозначаемая Fпц, носит название предела упругости, и соответствует величине максимальной нагрузки, при которой еще выполняется закон Гука. Участок 1-2 носит название площадки текучести. Здесь происходит существенное изменение длины образца при небольшом изменении нагрузки. Текучесть сопровождается взаимными сдвигами узлов кристаллической решетки, в результате чего полированная поверхность образца становится матовой и покрывается сеткой линий (линии Людерса-Чернова), направленных под углом 45°. Направление указанных линий соответствует сечениям, на которых при растяжении образца возникают наибольшие касательные напряжения. Если в любой точке участка снять нагрузку, то образец получит приращение к длине, равное остаточной деформации. Точка 2, обозначаемая Fт, носит название предела текучести. Участок 2-3 диаграммы называется зоной упрочнения или зоной наклепа. Здесь удлинение образца сопровождается возрастанием нагрузки, но более медленным, чем на упругом участке. Если процесс нагружения приостановить, например, в состоянии, определяемом на диаграмме точкой В (см. рис. 2.9, а) и затем постепенно снимать нагрузку, то линия разгрузки пойдет по прямой ВВ1, параллельной линии 0-1 упругой части диаграммы. Если же образец нагрузить вновь, то его диаграмма растяжения пойдет по прямой ВВ1 и далее по прямой В-3-4 без площадки текучести. Следует обратить особое внимание на то, что отрезок ВВ1 оказывается больше отрезка 0-1, увеличивая тем самым зону упругих деформаций. Следовательно, в результате предварительного упрочнения, материал приобретает способность воспринимать значительно большие нагрузки без остаточных деформаций. Это явление широко применяется в технике. Точка 3, обозначаемая Fmax, носит название предела прочности. Это максимальная нагрузка, которую может выдержать образец. В окрестности данной точки на образце намечается место будущего разрыва и начинает образовываться местное утонение образца, называемое «шейкой». Участок диаграммы 3-4 называется зоной местной текучести. На данном участке наблюдается удлинение образца при уменьшении нагрузки. При этом деформации носят местный характер с уменьшением площади в некотором сечении (сечение, где образовалась «шейка»). Точка 4, обозначаемая Fk, характеризует нагрузку, при которой происходит разрушение образца. При растяжении образцов из хрупких материалов, диаграмма принимает несколько иной вид (рис. 2.9, б). Примером хрупкого материала может служить чугун. При растяжении между диаграммами упругих и хрупких материалов существует два основных отличия. Во-первых, у хрупких материалов точки 3 и 4 совпадают, что говорит об отсутствии образования «шейки». Во-вторых, на диаграмме растяжения хрупких материалов отсутствует явно выраженная площадка текучести. Для определения механических характеристик строят так называемую мнимую площадку текучести и определяют условный предел текучести – усилие (напряжение), при котором остаточная деформация составляет 0,2 % от начальной длины (∆l0,2=0,2%l0). Условный предел текучести обозначается F0,2. Приведенные диаграммы (см. рис. 4.2) могут быть пересчитаны в координатах σ(ε) – «напряжение – деформация». При этом: ∆l F σ i = i ; εi = i . l0 A0 Характерный вид перестроенных диаграмм показан на рис. 4.3. Рис. 4.3 На этих диаграммах характерные точки соответствуют основным механическим характеристикам материала, из которого изготовлен образец. Зная эти характеристики, можно дать качественную оценку материалу. Если вместо начальной площади поперечного сечения образца при пересчете диаграммы брать истинную площадь, соответствующую конкретному моменту испытания, то получится диаграмма истинных напряжений, показанная пунктирной линией (рис. 4.3,а). Заметим, что тангенс угла наклона участка 0-1 соответствует модулю упругости первого рода материала (модулю Юнга) tgα=E. Основными механическими характеристиками материалов при растяжении являются: Предел пропорциональности (упругости) σпц – наибольшее напряжение, которое может выдержать образец без отклонения от закона Гука, численно равное отношению нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности (Fпц) к первоначальной площади поперечного сечения образца (A0): σ пц = Fпц A0 . [МПа] Предел текучести σт – наибольшее напряжение, при котором образец продолжает деформироваться без заметного изменения увеличения нагрузки, численно равное отношению нагрузки, соответствующей пределу текучести (Fт) к первоначальной площади поперечного сечения образца (A0): σΤ = FΤ A0 . [МПа] Предел прочности σВ – напряжение, численно равное отношению максимальной нагрузки, которую может выдержать образец (Fmax) к первоначальной площади поперечного сечения образца (A0): σ max = Fmax A0 . [МПа] Напряжение разрыва σк – напряжение, определяемое отношением нагрузки в момент разрыва (Fк) к первоначальной площади поперечного сечения образца (A0): σk = Fk A0 . [МПа] Истинное сопротивление разрыву Sk – напряжение, определяемое отношением нагрузки в момент разрыва (Fк) к истинной площади поперечного сечения образца в месте разрыва (A0): Sk = Fk Ak . [МПа] Относительное удлинение образца после разрыва δ – отношение абсолютного удлинения образца ∆l к первоначальной его длине l0 (в процентах): δ= ∆l lk − l0 = × 100% . l0 l0 Принято, что если δ≥5% - материал считается пластичным; если δ<5% хрупким. Относительное сужение при разрыве Ψ – отношение абсолютного уменьшения площади поперечного сечения образца к первоначальной площади сечения (в процентах): ψ= ∆A A0 − Ak = × 100% . A0 A0 Данные механические характеристики включаются в технические условия на поставку металлических материалов, в паспорта приемочных испытаний, а также используются в расчетах на прочность и оценке долговечности конструкций. Процесс определения механических характеристик при сжатии имеет ряд особенностей. К их числу относятся сложность приложения нагрузки строго вдоль оси образца (появляется неравномерность распределения напряжений в поперечном сечении) и возможность искривления (потеря устойчивости) при увеличении продольного размера образца. Чтобы частично снизить влияние этих факторов, при испытании применяют цилиндрические образцы с соотношением высоты к диаметру h0/d0=1÷3 (рис. 4.4,в). Рис. 4.4 Еще одной особенностью является наличие сил трения между торцами образца и опорными поверхностями испытательной машины и, как следствие этого, образование бочкообразности образца (рис. 4.4,б). Влияние сил трения можно частично снизить применением смазочных материалов. На рис. 4.4,а показана диаграмма сжатия пластичного материала (малоуглеродистой стали). Участок 0-1 называется зоной упругости. На данном участке соблюдается закон Гука. Точка 1, обозначаемая Fпцс, характеризует нагрузку, соответствующую пределу пропорциональности при сжатии, определяемому по формуле: σ пцc = Fпцc A0 . [МПа] Рис. 4.5 Участок 1-2 близок к горизонтальному и называется площадкой текучести. Данный участок характеризуется пределом текучести при сжатии σТС, определяемым отношением FTC к первоначальной площади поперечного сечения образца А0: σ TC = FΤC A0 . [МПа] Участок 2-3 диаграммы называется, аналогично с растяжением, зоной упрочнения или зоной наклепа. Этот участок характеризуется дальнейшим увеличением деформации при увеличении нагрузки. В дальнейшем, за точкой 3, нагрузка резко возрастает вследствие увеличения площади поперечного сечения образца (рис. 4.4,а) и образец принимает бочкообразную форму. Довести образец из пластического материала до разрушения практически невозможно, поэтому предел прочности при растяжении опытным путем не определяется. На рис 4.4,б представлена диаграмма сжатия образца из хрупкого материала (чугуна). Диаграмма имеет линейную зависимость на начальном участке. По мере возрастания нагрузки диаграмма все больше отклоняется от прямой линии, достигает максимального значения и резко обрывается. Происходит внезапное разрушение образца по наклонным площадкам под углом равным 45° (см. рис. 4.4,б), свидетельствующее о том, что причиной разрушения является действие касательных напряжений. По результатам испытаний можно установить предел прочности при сжатии: σ BC = FBC A0 . [МПа] Следует отметить, что у хрупких материалов предел прочности при сжатии заметно больше, чем при растяжении (у чугуна σВС=(2÷4) σВ). Данный факт необходимо учитывать при проектировании конструкции с применением хрупких материалов. Полученные механические характеристики, являются справочными значениями при расчетах конструкций. Расчет конструкции на прочность, проводится с целью определения или проверки конструкции на соответствие условию прочности: 𝜎𝜎𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ≤ [𝜎𝜎], где σmax – максимальное расчетное напряжение в конструкции, [σ] – допускаемое напряжение. Допускаемое напряжение может быть получено двумя вариантами, в зависимости от вида материала (хрупкий или пластичный). Если материал пластичный, то [𝜎𝜎] = 𝜎𝜎т 𝑛𝑛 , Если материал хрупкий, то [𝜎𝜎] = 𝜎𝜎в 𝑛𝑛 , где σт – предел текучести материала, σв – предел прочности материала, n – нормативный коэффициент запаса.