Основные механические характеристики материалов (стр. 1 из 3)

Основы конструирования приборов

Реферат по теме

Основные механические характеристики материалов

Студента группы ИУ 3-32

Кондратова Николая

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

Рис. 1.

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 кривойCD называется зоной местной текучести. ТочкаD 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.

Рис. 2

При разгрузке удлинение полностью не исчезает. Оно уменьшается на величину упругойчасти удлинения (отрезокLM). ОтрезокOL 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.

Рис. 3

При повторном нагружении образца диаграмма растяжения принимает вид прямойLK и далее — кривойKCD (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.

Рис. 4

Испытывая первый образец, мы получим диаграмму растяженияOABCD, 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.

Рис. 5

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 вFраз ординаты ивl 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 осьюs. 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 (s_у) --- 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 черезs_0.001или s_0.005

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 e_ост = 0,002 или 0,2% (рис. 6). В некоторых случаях устанавливается предел e_ост =0,5%.

Рис. 6

Условный предел текучести обозначается через s_0.2и s_0.5зависимости 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 s_тр и s_ст.

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 черезs_вр ( сжатие — s_вс).

s_вр 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 s_вр. 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.

Рис. 7

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

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