Контрольные вопросы.

1. Что называется растяжением или сжатием?

2. Почему расчет прочности при растяжении выполняют по нормальным напряжениям?

3. Что показывает коэффициент Пуассона?

4. Как сформулировать закон Гука при растяжении (сжатии).

5. Какое сечение стержня называется опасным?

Механические свойства конструкционных материалов

При проведение расчетов на прочность при растяжении или сжатии необходимо знать механические свойства материалов. Эти свойства выявляются при испытаниях образцов под нагрузкой.

По испытаниям на растяжение можно с достаточной степенью точности судить о поведении материалов и при других видах деформации: сжатии, сдвиге, кручении и изгибе.

Для испытаний на растяжение изготавливают образцы круглого сечения (рис.2.3)

Испытания проводятся на специальных универсальных испытательных машинах. График зависимости между растягивающей (сжимающей) силой Р и удлинением образцов l называется диаграммой растяжения (рис.2.4). Такая диаграмма зависит от размеров образца и физических свойств материала.

Р

C

Диаграмму можно разделить на 4 зоны. Первая зона называется зоной упругости, здесь свойства материала на участке ОА подчиняются закону Гука, т.е. . (2.12)

Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, называется пределом пропорциональности _П.,

Зона АВ называется зоной общей текучести, а участок АВ диаграммы –площадкой текучести. Здесь происходит существенное изменение длины образца без заметного увеличения нагрузки.

Третья зона ВС – зона упрочнения. Здесь увеличение образца сопровождается возрастанием нагрузки, но неизмеримо более медленным (в сотни раз), чем на упругом участке.

Четвертая зона СД – зона местной текучести. Здесь удлинение образца происходит с уменьшением силы и сопровождается образованием шейки, т.е. начинается разрушение образца.

При повторном нагружении образца, ранее нагружаемого выше предела упругости, механические свойства материала изменяются, а именно повышается прочность и уменьшается пластичность. Также явление называется наклепом или нагартовкой. В некоторых случаях наклеп является нежелательным (например, при пробивке отверстий под заклепки увеличивается возможность появления трещин возле отверстий); в других случаях наклеп создается специально (например, цепи подъемных машин, арматура железобетонных конструкций, провода, тросы подвергаются предварительной вытяжке за предел текучести). Проволока, полученная волочением, в результате наклепа имеет большую прочность, чем материал из которого она изготовлена.

Пластичность – способность материала получать большие остаточные деформации без разрушения.

Степень пластичности материала может быть охарактеризована остаточным относительным удлинением  и остаточным относительным сужением 

(2.13)

где - первоначальная длина образца;

- длина образца после разрыва;

- первоначальная площадь поперечного сечения образца;

- площадь сечения шейки образца.

Пластичность является важным конструкционным свойством материалов. Опыты показывают, что детали из малопластичных материалов ( ) плохо сопротивляются переменным нагрузкам.

Хрупкость – способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций.

Диаграмма растяжений хрупких материалов не имеет площадки текучести, у них при разрушении не образуется шейка.

Следует отметить, что деление материалов на пластичные и хрупкие является условным, так как в зависимости от характера действующей нагрузки хрупкий материал может получить пластические свойства и, наоборот, пластичный материал приобретает свойства хрупкого. Так, например, деталь из пластичного материала при низкой температуре или при ударной нагрузке разрушается без образования шейки, как хрупкая.

Твердость - способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. Показатель твердости тесно связан с показателями прочности и пластичности и зависит от конкретных условий ведения испытаний.

Для определения твердости материалов существует несколько способов. Наиболее широкое распространение получили пробы по Бринеллю(HB), Роквеллу(HRС) и Виккерсу(HV) (рис.2.5). В первом случае в поверхность исследуемой детали вдавливается стальной шарик, во втором – алмазный конус, а в третьем – алмазный наконечник, имеющий форму правильной четырехгранной пирамиды. По обмеру полученного отпечатка судят о твердости материала. Эти методы относят к неразрушающим методам контроля.

Твердость по Бринеллю

(2.14)

где F – величина силы, вдавливающей шарик;

D – диаметр шарика;

d – диаметр отпечатка.

Для стали связь между числом твердости HB и пределом прочности ориентировочно выражается .

Метод Бринелля не рекомендуется применять для сталей с твердостью более 450 HB, и для цветных металлов – более 200 HB.

Твердость по Роквеллу (HRC) определяют по специальной шкале с учетом действующей силы и глубины вдавливания h. Величина твердости по Роквеллу не имеет точного метода перевода в другие величины твердости или прочности при растяжении.

Твердость по Виккерсу

, (2.15)

где F – действующая нагрузка (Н);

d – диагональ отпечатка (мм).

Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.

Влияние температуры - обычно результаты механических испытаний относятся к так называемым нормальным условиям, т.е. к температуре 20⁰ и к сравнительно небольшим скоростям изменения нагрузок .

Однако, существует очень много машин и механизмов, работающих в самых разных температурных режимах.

В больших пределах изменяются также и скорости нагружения под действием внешних сил. Поэтому в зависимости от конкретных условий механические свойства материала будут проявляться по-разному.

Большое значение играет и фактор времени.

Изменение по времени деформаций и напряжений, возникающих в нагружаемой детали, называется ползучестью. Ползучесть вызывает необратимое изменение размеров деталей в процессе работы машины.

Самопроизвольное изменение по времени напряжений часто встречается при неизменной деформации в деталях, работающих в условиях высоких температур, и называется релаксацией. Релаксация связана с проявлением ползучести материала, т.е. изменением деформации при постоянном уровне нагружения. Например, можно наблюдать, ослабление затяжки болтовых соединений, работающих в условиях высоких температур. Особенно характерны эти эффекты для полимерных материалов. Здесь релаксация и ползучесть наблюдаются при нормальной температуре (рис.2.6).

Рис.2.6. Релаксация и ползучесть полимерных материалов

При повышенных температурах предел прочности материала зависит также от длительности испытаний. В этих условиях прочность материала характеризуется пределом длительной прочности и пределом ползучести.

Пределом длительной прочности материала называется отношение нагрузки, при которой происходит разрушение растянутого образца через заданный промежуток времени, к первоначальной площади сечения.

Пределом ползучести называется напряжение, при котором пластическая деформация за заданный промежуток времени достигает заданной величины.

Предел длительной прочности и предел ползучести с увеличением температуры уменьшаются.

Также на механические характеристики материалов оказывает влияние скорость проведения испытаний, радиоактивное облучение и другие факторы, оцениваемые экспериментально.

В табл. 1 приведены некоторые механические характеристики конструкционных материалов, используемых для изготовления деталей и узлов машин.

Таблица 1

Механические характеристики распространенных конструкционных материалов

Материал		Напряжение, МПа				Относитель-ное удлинение , %		Твер –дость	Модуль упругости Е×105, МПа
		В		Т
1		2		3					6
Чугун серый		300		280					0,7
Сталь конструкционная:
Ст.3		380-490		210-250					2
45		500-610		300-360					2
40Х		1000		800					2
40ХН		1000		800					2
65		1100		800					2
Алюминий		80		30					0,71
Дуралюмин Д16		540		400					0,75
Силумин АЛ9		200		140					0,72
Медь		240		95					1,15
Латунь ЛЦ40С		215
Бронза Браж9-4		600
Полиэтилен ПЭВД		10-17
Полипропилен		25-40
Полистирол		37-48
Полиамид	38-60				4-20		80-160HB
Стеклотекстолит	250-600								0,18-0,30