Интересен механизм разрушения образца из низкоуглеродистой стали. Образец разрушается, как правило, с образованием «чашечки» на одной его части и «конуса» — на другой. Этот излом называют чашечным или изломом «чашечка — конус».
Помимо указанных характеристик прочности определяют характеристики пластичности.
Относительное удлинение после разрыва δ(%) — это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальному значению, вычисляемое по формуле:
δ = ((lK-l0)/l0)100%
Заметим, что относительное удлинение после разрыва зависит от отношения расчетной длины образца к его диаметру. С увеличением этого отношения значение δ уменьшается, так как зона шейки (зона местной пластической деформации) у длинных образцов занимает относительно меньше места, чем в коротких образцах.
Другой характеристикой пластичности является относительное сужение после разрыва ψ (%), представляющее собой отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца:
ψ=((A0-AK)/A0)100%
Иногда при вычислении значения ψ для цилиндрических образцов пользуются формулой:
ψ=(((d0)2-dK)2)/(d0)2)100%
Для стали марки Ст3 характеристики пластичности следующие: δ = 25…27% (при испытании коротких образцов); ψ=60…70%.
Если образец после нагрузки, соответствующей пределу текучести (рис. 3), разгрузить, то процесс разгрузки будет изображен линией МО1, почти параллельной первоначальному упругому участку диаграммы.
Рис. 3
Удлинение, полученное образцом до начала разгружения, при разгрузке полностью не исчезает. Оно становится меньше на удлинение Δlуп упругой части (отрезок О1О2). Остаточное удлинение Δlост (отрезок ОO1) называется также пластическим удлинением. Следовательно, за пределом упругости полное удлинение образца состоит из двух частей — упругой и пластической:
Δl = Δlуп+ Δlост,
а до предела упругости — только из чисто упругой: Δlост = 0.
Если после разгрузки образца его тут же снова нагрузить, то процесс повторного нагружения изобразится линией О1М, которая почти совпадает с линией МО1, описывающей процесс нагрузки. При этом линия нагрузки проходит через ту же точку диаграммы, с которой начался процесс разгрузки. Обе линии (разгрузки и нагрузки) образуют петлю — петлю гистерезиса. После полного цикла образец возвращается к своему первоначальному состоянию; это явление носит название упругого гистерезиса. Площадь петли гистерезиса соответствует потерям механической энергии за один цикл, которые весьма малы. Эти потери вызываются так называемым внутренним (молекулярным) трением. Силы трения совершают необратимую работу, что приводит к диссипации (рассеянию) механической энергии в виде тепловой энергии.
При дальнейшем нагружении (после точки М) кривая продолжается так, как будто не было промежуточной разгрузки. Следовательно, у образца после предварительного деформирования улучшились упругие свойства.
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. Оно широко используется в технике (цепи и канаты подъемных машин, некоторые виды арматуры железобетонных конструкций, цилиндры гидравлических прессов, турбинные диски и другие элементы машин и механизмов).
Условная и истинная диаграммы.
Диаграмма растяжения F=f(Δl) (рис. 2) характеризует свойства образца, так как зависит от его размеров. Для оценки механических свойств материала диаграмму растяжения перестраивают в координатах «напряжение—деформация»; все ординаты делят на первоначальную площадь поперечного сечения А0, а все абсциссы — на первоначальную длину рабочей части l0. В результате получаем диаграмму напряжений σ =f(ε) (рис. 4), которая имеет тот же вид, что и диаграмма F=f(Δl), так как А0и l0постоянны.
Рис. 4
Эта диаграмма является условной, поскольку при ее построении не учитывается изменение значений А0и l0в процессе испытания. Поэтому определенные ранее пределы пропорциональности и текучести и временное сопротивление являются условными. Истинные же напряжения в каждый момент нагружения будут больше условных.
Условные диаграммы напряжении используются на практике для определения механических характеристик материалов, а также для определения модуля упругости Е: E=tg α = σ/ε, т. е. значение модуля упругости есть тангенс угла наклона прямолинейного участка диаграммы к оси абсцисс.
Диаграмма низколегированной стали.
Диаграмма растяжения низколегированной стали изображена на рис. 5. Аналогичную диаграмму имеют и другие пластичные материалы, например красная медь, сплавы алюминия.
Рис. 5
В начале диаграммы между нагрузкой и деформацией тоже соблюдается прямо пропорциональная зависимость (закон Гука). Точка, где эта зависимость нарушается, соответствует пределу пропорциональности. После точки А прямолинейный участок диаграммы плавно переходит в криволинейный — зону пластических деформаций.
На диаграмме растяжения нет площадки текучести. Поэтому вместо физического предела текучести определяют условный предел текучести σ0,2(точка D на рис. 5) — напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от рабочей длины образца:
σ0,2=F0.2/A0
Для определения нагрузки F0.2вычисляется значение заданного остаточного удлинения l0.2 исходя из рабочей длины образца. Отрезок, соответствующий остаточной деформации l0.2, откладываем вправо от точки О (на рис. 5 — отрезок ON). Из точки N проводится прямая, параллельная прямой ОА, до пересечения с диаграммой растяжения. Ордината точки пересечения D равна нагрузке F0.2.
В криволинейной части диаграммы нагрузки увеличиваются вместе с увеличением деформаций, которые происходят по всей длине образца. При приближении к максимальной нагрузке на образце появляется местное сужение — шейка. На диаграмме этому состоянию соответствует точка Е.
После точки Е нагрузка начинает уменьшаться, деформация образца концентрируется в основном в области шейки. Поперечное сечение шейки уменьшается, и при нагрузке Fkобразец разрушается — точка К.
Следует отметить, что участок диаграммы ЕК у низкоуглеродистой стали длиннее, чем у низколегированной. Это указывает на то, что низколегированная сталь обладает меньшей пластичностью, поэтому шейка у нее является менее выраженной. Механические же характеристики прочности выше у низколегированной, чем у низкоуглеродистой стали.
Механизм образования деформации.
Реальные технические металлы и их сплавы состоят из большого числа кристаллических зерен, или кристаллитов, ориентированных произвольным образом. Так, уменьшение размеров зерен приводит к увеличению прочности на разрыв, а также пластичности и вязкости.
Внутри кристалла находятся атомы металла, расположенные в определенном порядке. Они образуют более или менее правильную трехмерную кристаллическую решетку.
Между атомами действуют либо силы притяжения, либо силы отталкивания. Сила взаимодействия между двумя соседними атомами складывается из этих сил. На рис. 6 показана схема распределения сил отталкивания (кривая 1) и притяжения (кривая 2), а также результирующей силы (кривая 3).
Рис. 6
При расположении атомов на расстоянии r0 сила взаимодействия между ними равна нулю и атомы находятся в равновесном положении.
Любая попытка незначительного перемещения атомов из равновесного положения приводит к возникновению сил, стремящихся вернуть их в прежнее состояние.
При перемещении атома в новое положение каждый предыдущий атом занимает место последующего, в итоге все атомы перемещаются из своих прежних положений в эквивалентные узлы кристаллической решетки на одно межатомное расстояние. В результате такого необратимого смешения атомов начинается пластическое деформирование.
Перенос вещества, возникающий благодаря пластичности кристаллов, происходит с помощью дислокации, т. е. несовершенств, дефектов кристаллической решетки в местах, где имеются атомы или группы атомов, смещенные из положения устойчивого равновесия.
Таким образом, пластическая деформация являете результатом необратимых смещений атомов (сдвигов), обусловленных движением дислокаций. Движение дислокаций обычно вызывает макроскопическую пластическую деформацию материала и сопровождается динамическими явлениями: выделением теплоты в результате колебаний атомов около вновь приобретенного положения равновесия и возникновением акустических эффектов.