29.Диаграммы растяжения и сжатия для пластичных материалов.

Диаграммы растяжения

Д ля изучения свойств материалов и установления значений предельных напряжений проводят испытания образцов материала вплоть до разрушения. Испытания производят при статической, ударной и циклической нагрузках на растяжение, сжатие, кручение и изгиб (реже на сложное сопротивление). Эксперимент ведут в стандартных условиях на специальных машинах. Наиболее распространены испытания на растяжение статической нагрузкой, т.к. они наиболее просты и дают возможность судить о поведении материала при других видах деформации.

Для испытаний применяют ци­линдрические и плоские образцы (см. рисунок 8.8). Обычно d₀=20 мм и l₀=10d₀  или l₀=5d₀.

При испытании записывается диаграмма зависимости между растягивающей силой F и удлинением образца Δl. Для возможности сравнения результатов по образцам различных размеров, диаграмму F-Δl рассматривают и как диаграмму σ-ε. Это не совсем верно, поскольку подразумевается, что σ=F/A₀ и ε=∆l/l₀ (A₀, l₀ –первоначальная площадь п оперечного сечения образца и первоначальная д лина образца). Т.к. истинные σ и ε должны определяться через текущие значения A и l, то такую диаграмму в координатах σ и ε называют условной диаграммой растяжения.

На рисунке 8.9 сплошной линией показана условная диаграмма растяжения малоуглеродистой стали. На участке ОА до некоторого напряжения σ_пц, называемого пределом пропорциональности, ε растет пропорционально σ, т.е. выполняется закон Гука (для стали СтЗ σ_пц≈ 200 МПа). Дальше диаграмма становится криволинейной, до величины σ_у, называемой пределом  упругости, материал еще сохраняет упругие свойства. Разница между σ_пц и σ_у невелика (для Ст3 σ_у≈ 210 МПа), и на практике их не различают.

При дальнейшем увеличении нагрузки наступает момент (т.С), когда деформации начинают расти без увеличения нагрузки. Горизонтальный участок СD называется площадкой текучести, соответствующее напряжение - пределом текучести при растяжении σ_тр (240…400 МПа для Ст3).

Далее диаграмма поднимается вверх, материал вновь приобретает способность сопротивляться растяжению. В т.Е достигается наибольшее условное напряжение, называемое пределом прочности или временным сопротивлением σ_вр (для Ст3 σ_вр=400…500 МПа). На образце появляется резкое местное сужение, т.н. шейка (см. рисунок 8.10,б). Площадь сечения образца в шейке быстро уменьшается и, как следствие, падает усилие и σ. Разрыв образца происходит по наименьшему сечению. Предел прочности не есть напряжение, при котором происходит разрушение образца. Если относить растягивающую силу не к A₀, а к площади шейки, то напряжение в шейке перед разрывом σ_ист (в т.N) существенно больше, чем σ_вр.

Кроме указанных характеристик прочности материала, при испытании определяют также относительное остаточное удлинение при разрыве δ, являющееся характеристикой пластичности материала

                                где l₀ – первоначальная расчетная длина образца; l₁ – расчетная длина образца после разрыва.

Для Ст3  δ ≥24%, у высокопрочных сталей δ=(7…10)%. Это удлинение является усредненным, истинное удлинение возникает в месте разрыва.

Для изучения значительных пластических деформаций необходимо знать истинную диаграмму растяжения (кривая OCS на рисунке 8.9).

Рассмотренная диаграмма растяжения является характерной для т.н. пластичных материалов, т. е. материалов, способных получать значительные остаточные деформации без разрушения. К весьма пластичным материалам относятся медь, алюминий, латунь, малоуглеродистая сталь и др., к менее пластичным - дуралюмин и бронза, к слабо пластичным – большинство легированных сталей. Ряд пластичных материалов при растяжении дает диаграмму без пло­щадки текучести; для них устанавлива­ется т.н. условный предел текучести – это напряжение, которому соответст­вует определенная величина остаточ­ной деформации. Условному пределу текучести σ_0,2 соответствует остаточная деформация 0,2%.

Противоположным свойству пластичности является хрупкость. К хрупким материалам (δ < 2-5%) относятся чугун, инструментальная сталь, камень, бетон, стекло, и др. Диаграмма растяжении образцов из хрупких материалов (см. рисунок 8.11) имеет ряд особенностей. Здесь отклонение от закона Гука начинается очень рано. Разрыв наступает внезапно при очень малых деформациях, без шейки. При испытании определяют только предел прочности σ_вр. При расчетах отклонение от закона Гука для хрупких материалов не учитывают, заменяя криволинейную диаграмму прямолинейной. Заметное влияние на σ_вр оказывают размеры образца, что оценивают масштабным коэффициентом.

Диаграммы сжатия

Используют образцы в форме кубиков или невысоких цилиндров (h≤ 3d) - иначе может возникнуть изгиб. Применение очень коротких образцов также нежелательно: силы трения на торцах значительно искажают картину. Вид диаграммы сжатия хрупких материалов такой же, как диаграммы растяжения. По диаграмме определяют  σ_вс и δ, при этом σ_вс обычно больше σ_вр.

На рисунке 8.12 показана типичная диаграмма сжатия пластичного материала. Вначале она идет так же, как и диаграмма растяжения, а затем вверх – образец сплющивается и не разрушается. Пределы текучести при растяжении и сжатии для пластичных сталей практически одинаковы.