Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Механические свойства конструкционных материалов. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Сопротивление материалов»
.pdf
лее прочным и менее пластичным. Модуль упругости с повышением
Тв
,
вр
температуры уменьшается, а коэффициент Пуассона увеличивается, с
понижением температуры наблюдается обратная картина. Некоторые
материалы являются исключением из этих правил, другие же имеют
свои характерные особенности.
Легированные стали и цветные сплавы при повышении температуры обнаруживают монотонное уменьшение прочностных характеристик
(
) и модуля упругости. Характеристики пластичности при этом
возрастают.
На рис. 21 показаны зависимости предела прочности, предела текучести и относительного остаточного удлинения от температуры для
хромомарганцевой стали марки 30ХГСА.
Рис. 21
На рис. 22 показаны зависимости механических характеристик
малоуглеродистой стали от температуры в интервале от 0º С до 500º С.
Видно, что модуль упругости и предел текучести монотонно убывают
при повышении температуры. Более сложная зависимость от температуры у
охрупчиванием. Охрупчивание свойственно в основном малоуглеродистой стали.
некоторых керамических материалов от температуры (кривая 1 – шамот,
кривая 2 – окись алюминия, кривая 3 – двуокись циркония).
ческие материалы, механические характеристики которых меняются
незначительно при температурах до 1000
и . Уменьшение
при повышении температуры называется
На рис. 23 показаны зависимости предела прочности при сжатии
В настоящее время созданы специальные сплавы и металлокерами-
0
С.
21
Рис. 22 Рис. 23
успевают полностью развиться. Поэтому материал с увеличением скорости
нагружения становится более хрупким (величина уменьшается). Прочностные характеристики при этом возрастают. На рис. 24 показаны диаграммы напряжений малоуглеродистой стали при медленном (диаграмма 1)
и быстром (диаграмма 2) нагружениях образца. Модуль упругости и коэффициент Пуассона практически не зависят от скорости нагружения.
внешних условиях с течением времени изменяют свои механические
свойства, а значит и механические характеристики. Такое явление назы-
вается старением материала.
Влияние скорости нагружения
При больших скоростях нагружения пластические деформации не
Старение материала. Некоторые материалы при неизменных
Рис. 24
22
Так, например, у стали с течением времени уменьшается остаточное удлинение и повышается предел текучести, т.е. сталь с течением
времени становится более хрупкой.
В бетоне длительное время происходит химический процесс,
вследствие чего прочность бетона с течением времени повышается.
Влияние радиации
Причина изменения механических свойств материалов в процессе
их облучения частицами высокой энергии заключается в образовании
дефектов в кристаллической решетке. В результате облучения модуль
упругости и прочностные характеристики материала значительно повышаются. Материал становится более жестким и прочным.
Влияние влажности
На механические свойства некоторых материалов большое влияние
оказывает влажность. К таким материалам относятся древесина, бетон.
Влажностью древесины называют долю (в процентах) всей влаги в
древесине от веса абсолютно сухой древесины. При понижении влажности прочность древесины возрастает. Так, например, если влажность
древесины уменьшилась с 30% до 20%, то предел прочности при статическом изгибе увеличивается в среднем на 40%, а при сжатии вдоль волокон на 60%.
4. ДРУГИЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
Наклеп и отдых металлов
Нагрузим образец за предел текучести, например до точки В (рис. 25), а
затем разгрузим. Известно, что диаграмма разгрузки пойдет по прямой
ВС, которая параллельна первоначальному прямолинейному участку
диаграммы. При повторном нагружении диаграмма напряжений будет
иметь вид СВД, т.е. начало координат перемещается из точки О в точку
С. При этом свойства материала изменяются: площадка тягучести, если
она есть, исчезает, повышаются предел пропорциональности и предел
текучести, уменьшается остаточная деформация, металл становится более хрупким.
Изменение свойств металла посредством его нагружения за предел
текучести с последующей разгрузкой называется наклепом. Наклепанное
состояние металла неустойчиво. В процессе длительной выдержки (отдыха) механические характеристики металла восстанавливаются. Если
температура отдыха комнатная, то механические характеристики восстанавливаются не полностью. Наклеп можно снять полностью путем
23
отжига образца, т.е. путем нагрева в жидкой среде и последующего мед-
п
п
ленного охлаждения.
Ползучесть и релаксация
Способность материала деформироваться с течением времени при
действии постоянной нагрузки называется ползучестью. Явление ползучести присуще в той или иной степени всем материалам. У металлов это
свойство становится заметным только при высоких температурах. У
таких материалов как древесина, бетон, пластмассы, грунт ползучесть
необходимо учитывать и в нормальных условиях работы.
Опыты показали, что ползучесть наблюдается при любых напряжениях, даже при таких, которые при кратковременном нагружении вызывают только упругие деформации. Результаты испытаний на ползучесть
представляют в виде кривых ползучести (рис. 26). В процессе нагружения образец приобретает начальную деформацию
быть упругой или упруго-пластичной. В дальнейшем нагрузка остается
постоянной, а деформация с течением времени растет. В любой момент
времени деформация образца состоит из двух частей – начальной де-
формации
гой или состоять из двух частей – вязкоупругой и пластической. Обе
части деформации ползучести увеличиваются с течением времени. Вязкоупругая часть после снятия нагрузки с течением времени исчезает, а
пластическая часть остается.
(0) и деформации ползучести
(0)
=
В свою очередь деформация ползучести может быть вязкоупру-
:
.
+
(0)
, которая может
Рис. 25 Рис. 26
На рис. 26 показаны две кривые ползучести. Кривая 1 получена при
небольшой нагрузке и носит затухающий характер. Кривая 2 получена
при большой нагрузке и делится на три участка: АВ – участок неустановившейся ползучести (скорость деформации уменьшается), ВС – участок
24
установившейся ползучести (скорость деформации постоянна), на
в
.Δост
l
участке СД скорость деформации возрастает, и образец разрушается.
Механическими характеристиками материала в условиях ползучести являются предел длительной прочности и предел ползучести.
Предел длительной прочности – это напряжение, при котором образец разрушается за заданный промежуток времени.
Предел ползучести – это напряжение, при котором деформация
ползучести достигает заданной величины за заданный промежуток времени.
Оба предела сильно зависят от температуры. С увеличением температуры они, как правило, уменьшаются.
Если растянутый образец после окончания нагружения закрепить
так, чтобы деформация оставалась неизменной, то напряжения в образце
с течением времени будут снижаться. Начальная деформация может
быть упругой или упруго-пластичной. Это явление уменьшения напряжений называется релаксацией и объясняется тем, что приобретенная
образцом при нагружении упругая часть деформации постепенно превращается в пластическую.
Вязкость материала
Под вязкостью материала понимается его способность поглощать
механическую энергию (работу) при деформировании образца вплоть до
разрушения. В некоторых учебниках по сопротивлению материалов под
вязкостью понимают свойство структуры материала задерживать развитие трещины. Оба понятия описывают одно и то же явление. Материал
поглощает механическую энергию, поэтому ее не хватает на развитие
трещины.
Мерой вязкости является удельная работа (работа, приходящаяся
на единицу объема образца), затраченная на пластическую деформацию
образца вплоть до разрушения. Удельная работа равна заштрихованной
площади диаграммы напряжений (рис. 27), помноженной на масштаб.
Площадь диаграммы зависит от
и
. Вязкость материала тем вы-
ше, чем прочнее и пластичнее материал. Характеристики прочности и
пластичности зависят от скорости нагружения, температуры образца и
других условий. Поэтому мера вязкости (удельная работа) зависит от
условий проведения испытаний, и если нагружение было статическим,
то такая вязкость называется статической вязкостью, в отличие от ударной вязкости.
Для числовой оценки ударной вязкости материала образец нагружается ударной нагрузкой. Чем больше вязкость материала, тем боль-
25
шую работу необходимо затратить для его разрушения. Поэтому все
1Т
Т
1
2
3
конструкции, несущие нагрузку, изготавливаются из материала, обладающего большой вязкостью.
Эффект Баушингера1
Эффект Баушингера поясним на упрощенной диаграмме напряжений пластичного материала, не имеющего площадки текучести (рис. 28).
Упрощение заключается в аппроксимации криволинейного участка
диаграммы выше предела пропорциональности прямой линией ВД. Если
образец нагрузить (растянуть) до точки С, а потом разгрузить (СК), то
при повторном нагружении (KML) деформацией противоположного знака (в нашем случае – сжатием) предел текучести
ше предела текучести
. В этом и заключается эффект Баушингера.
оказывается мень-
Отметим, что при значительных пластических деформациях первоначального нагружения эффект Баушингера не наблюдается.
Твердость
Твердость – это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.
При измерении твердости методом Бринелля2 стальной закаленный
шарик диаметром D (рис. 29) вдавливают в испытуемый образец (деталь) силой F. После определенной выдержки и снятия нагрузки измеряют диаметр отпечатка d. Число твердости по Бринеллю – это отношение силы F к площади поверхности отпечатка. При измерении твердости
методом Роквелла3 в испытуемый образец (деталь) вдавливается алмазный конус или стальной закаленный шарик. Число твердости по Роквел-
лу определяют по глубине отпечатка.
Рис. 27 Рис. 28
Иоганн Баушингер (1833-1893) - немецкий механик, экспериментально исследо-
вавший деформативные и прочностные свойства материалов.
Ю.А.Бринелль - шведский инженер.
С.П.Роквелл - американский металлург.
26
В материале, при вдавливании в него шарика или конуса, возникают местные пластические деформации, а затем и местное разрушение.
Поэтому показатели твердости связаны с показателями прочности материала. В лабораториях имеются таблицы, с помощью которых, зная
число твердости, можно приближенно определить предел прочности
материала. При этом отпадает необходимость изготавливать образцы, а
затем их испытывать. Этим обстоятельством и объясняется широкое
распространение в лабораторной практике проб на твердость.
Рис. 29
5. ДРУГИЕ ВИДЫ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ
Механические испытания можно классифицировать по характеру
изменения нагрузки во времени. По этому принципу различают стати-
ческие, динамические и усталостные испытания.
Статические испытания отличаются плавным, относительно мед-
ленным изменением нагрузки на образец и малой скоростью деформации.
Самые распространенные виды статических испытаний: испытание
на растяжение, испытание на сжатие, испытание на изгиб, испытание на
кручение, испытание на растяжение с изгибом образцов с надрезом.
Динамические испытания отличаются большими скоростями изменений нагрузок и деформаций. Длительность всего испытания на превышает тысячных долей секунды. По результатам динамических испытаний определяют величину работы, затраченной на разрушение образца, или его остаточную деформацию. Динамические испытания обычно
проводят по схеме изгиба.
Наиболее распространенным видом динамических испытаний является испытание на ударную вязкость. Испытание заключается в следующем. На образце квадратного поперечного сечения 10х10 мм делается надрез (рис. 30). Затем образец укладывается на опоры и по нему с
помощью маятникового копра наносится удар. Образец разрушается.
27
Зная разницу высот маятника до и после удара, можно определить величину энергии, затраченной на разрушение образца. Чем больше вязкость
материала, тем больше энергии требуется для его разрушения. Числовой
мерой ударной вязкости служит энергия, отнесенная к единице площади
ослабленного сечения образца.
Данные об ударной вязкости не используются непосредственно в
расчетах, но они позволяют оценить особое качество материала – его
склонность к хрупкому разрушению при динамических нагрузках в
условиях сложного напряженного состояния (материал у дна канавки
испытывает трехосное растяжение) и решить вопрос о применимости
того или иного материала для данных условий работы. Именно в таких
условиях работают многие детали машин, имеющие отверстия, канавки
для шпонок и другие элементы, вызывающие концентрацию напряжений. Низкая ударная вязкость служит основанием для браковки материала. Так, например, стали, применяемые для изготовления деталей, работающих при динамических нагрузках, должны иметь ударную вязкость не менее 80-100 Дж/см2. Ударная вязкость одной и той же стали
зависит от ее структуры. Эту зависимость при статических испытаниях
обнаружить не удается. В табл. 3 приведены результаты определения
ударной вязкости мелкозернистой и крупнозернистой сталей марки Ст.2.
Рис. 30
28
Таблица 3
Материал
Предел
прочности при
растяжении
.. рв
(МПа)
(%)
(%)
Ударная
вязкость
(Дж/см2)
Мелкозернистая
сталь марки Ст.2
375
35
72
131
Крупнозернистая
сталь марки Ст.2
345
37
67
26
Механические характеристики стали Ст. 2 разной структуры
Эти стали, имеющие почти одинаковые механические характеристики, определенные при статических испытаниях, сильно отличаются
по ударной вязкости. При понижении температуры ударная вязкость
материала уменьшается. Для многих материалов существует понятие
критической низкой температуры – температуры, при которой ударная
вязкость скачком уменьшается в несколько раз. Ниже этой температуры
материал становится непригодным для работы при динамических
нагрузках.
При усталостных испытаниях к образцу прикладывается нагрузка,
изменяющаяся во времени по величине и направлению. Испытания на
усталость – длительные испытания, они длятся часами и сотнями часов.
В процессе испытаний определяют число циклов изменений нагрузки до
разрушения при разных значениях максимального напряжения цикла. В
конечном итоге определяют максимальное напряжение цикла, при котором образец выдерживает, не разрушаясь, заданное (базовое) число циклов.
Помимо рассмотренных видов испытаний можно отметить еще две
важные группы испытаний. Первая из них – испытания на твердость. По
результатам этих испытаний, косвенным путем определяется предел
прочности материала. Методика проведения таких испытаний были изложена выше.
Вторая группа – испытания на ползучесть и длительную проч-
ность. При испытаниях на ползучесть или длительную прочность образцы находятся под нагрузкой, величина которой с течением времени
не изменяется. Испытания носят длительный характер (могут продолжаться годами). При испытаниях на ползучесть определяют, как изменяется деформация с течением времени при разных уровнях напряже-
29
ний, а при испытаниях на длительную прочность определяют время до
)(
1
zyxx
E
,
G
xy
xy
)(
1
xzyy
E
,
G
yz
yz
)(
1
yxzz
E
.
G
zx
zx
(1)
разрушения образца при разных уровнях напряжений.
Существуют и другие специфические методы испытаний материалов, которые применяются в той или иной отрасли промышленности.
Например: испытание древесины на скалывание, технологические пробы на перегиб листа или проволоки и т.д.
Как видно, методы испытаний весьма разнообразны. Проводятся
они при различных температурах и в различных средах, при разных скоростях нагружения. Это вполне естественно, ибо отражает разнообразие
условий эксплуатации и обработки материалов, которые в конечном
счете пытаются моделировать испытаниями.
6. АНИЗОТРОПИЯ
Возьмем внутри тела произвольную точку и мысленно проведем
через нее множество направлений (прямых линий). Если свойства материала во всех направлениях одинаковы, то такой материал называется
изотропным материалом. Если же имеются направления, вдоль которых свойства материала различны, то такой материал называется анизо-
тропным.
Примером материалов с идеальной изотропией могут служить
аморфные материалы (стекло, пластмассы, каучуки). Для изотропного
материала связь между компонентами деформированного и напряженного состояния задается в форме обобщенного закона Гука:
Система координат xyz вместе с элементарным объемом (рис. 31)
ориентирована в пространстве произвольно, и упругие постоянные E,
G не зависят от ее ориентации. Из формул (1) следует, что в случае изотропного материала линейные деформации зависят только от нормальных напряжений, а угловые – только от касательных.
30
,
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]