1.7. Граничний стан

1.7.1. Що мається на увазі під поняттям «граничний стан»?

Граничний стан - це такий стан металу в будь-якому локальному об'ємі тіла (конструкції), для якого приймається, що при його досягненні має місце руйнування на макроскопічному рівні. Цей стан залежить від процесів, що призводять до руйнування. Ці процеси, перш за все, залежать від власти­востей матеріалу, режиму й інтенсивності навантаження, терміна наванта­ження, температури та напружено-деформованого стану в локальних об'ємах.

1.7.2. Які основні процеси руйнування?

На макроскопічному рівні розглядають такі основні процеси руйнування:

• активне пластичне деформування;

• крихке руйнування;

• повзучість;

• втомленість.

1.7.3. У чому полягає процес активного пластичного деформування?

Процес реалізується в умовах безперервного повільного (статичного) збільшення навантаження і призводить до вичерпання пластичних властивостей металу в макрооб'ємі і, як наслідок, його руйнування.

1.7.4. Яким чином вивчаються деформаційні процеси, що мають місце в металі при статичному навантаженні?

Деформаційні процеси в металі при статичному навантаженні визна­чаються експериментальним шляхом під час випробування на статичне розтягування спеціальних зразків. Як правило, зразки мають циліндричну форму зі співвідношенням довжини робочої частини до діаметра ljd₀ = 5 (короткий зразок) або 10 (довгий зразок). Для плоских зразків треба забез­печити такі співвідношення між довжиною зразка та його площею попереч­ного перерізу: , (короткий зразок) та / = 11,3 , (довгий зразок).

1.7.5. Що отримують при випробуванні на статичне розтягування?

В результаті випробування отримують так звану діаграму розтягування, яка показує залежність між навантаженням Р і А/ деформацією (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Діаграма розтягування для сталі

1.7.6. Які механічні характеристики матеріалу визначаються на діаграмі розтягування?

На діаграмі розтягування мають місце декілька характерних точок а, Ь, с, d.

Точка а. На діаграмі розтягу при навантаженні до цієї точки залеж­ність між навантаженням і деформацією представляється прямою лінією, тобто деформація пропорційна навантаженню. Напруження в цій точці зветься межею пропорційності і визначається за формулою:

де F_Q - первинна площа поперечного перерізу зразка.

Після розвантаження зразка залишкова деформація відсутня.

Точка Ь. При подальшому навантаженні між точками а і b пропорцій­ність між навантаженням і деформацією порушується, що призводить після розвантаження до появи залишкової деформації. Точка Ь на діаг­рамі відповідає моменту появи після розвантаження залишкової дефор­мації величиною 0,05%, а відповідне напруження зветься межею пруж­ності (умовною) і визначається формулою:

Точка с. Вона відповідає моменту, коли починається активне плас­тичне деформування без збільшення навантаження, тобто має місце площадка текучості. Відповідне напруження зветься межею текучості і воно визначається за формулою:

Для багатьох матеріалів на діаграмі розтягу площадка текучості від­сутня. В цьому випадку використовують поняття умовної межі текучості. Це таке напруження, при якому після розвантаження залишкова дефор­мація дорівнює 0,2%, тобто:

У точці d маємо максимальне навантаження, яке витримує зразок перед руйнуванням. Відповідне напруження зветься межею міцності і підраховується за формулою:

Випробування на розтягування дозволяє також визначити дефор­мації зразка в процесі його навантаження, а саме: - відносне подовження після розриву

- відносне звуження після розриву

де І_к і F_k кінцева довжина робочої частини і площа поперечного перерізу після руйнування відповідно.

При проведенні розрахунків на міцність використовують значення межі текучості або межі міцності.

1.7.6. Що показує значення межи текучості?

Межа текучості вказує тільки на величину напруження до якого матеріал працює пружно. Ні в якому разі вона не характеризує пластичні властивості матеріалу.

1.7.7. Що показує межа міцності?

Межа міцності - це показник міцності матеріалу.

1.7.8. Що характеризують показники

Ці показники характеризують пластичні властивості матеріалу.

1.7.9. Що вважається досягненням граничного стану при руйнуванні згідно процесу пластичного деформування?

Прийнято, що в цьому випадку граничний стан досягається тоді, коли починається пластичне деформування. Тобто, в процесі експлуатації залишкові деформації відсутні, а матеріал працює пружно. Для оцінки стану матеріалу використовуються так звані рівняння стану. Рівняння стану зв'язують характеристики навантаження з напружено-деформова-ним станом матеріалу. В даному випадку це зв'язок між навантаженням і початком пластичного деформування. Отже, критерієм досягнення гра­ничного стану є значення межі текучості.