Лекция №6

Тема: «Механические свойства материалов»

Вопросы:

1. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали. Условный предел текучести

2. Характеристики пластичности

3. Диаграмма растяжения хрупких материалов

1. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

Для определения механических свойств материалов проводят механические испытания образцов, форма и размеры которых устанавливаются стандартами (ГОСТами). Наиболее распространенными являются испытания на растяжение, так как они легко осуществимы и дают важнейшие характеристики материала.

Разрывные испытательные машины рисуют графики (диаграммы) зависимости между усилием F и абсолютным удлинением . Такая диаграмма имеет один существенный недостаток она не позволяет сравнивать результаты испытания образцов различной площади сечения А. Поэтому полученную на машине диаграмму перерисовывают в условных осях: по оси абсцисс откладывают относительное удлинение:

,

а по оси ординат  нормальное напряжение:

,

где l и A₀  начальная длина и площадь поперечного сечения образца.

Для низкоуглеродистой строительной стали марки Ст.3 (содержание углерода не более 0.22%) диаграмма имеет вид, представленный на рис.1.

В начальной стадии нагружения, на участке ОА, зависимость между иносит линейный характер, деформация прямо пропорциональна напряжению, т.е. следует закону Гука. Наибольшее напряжение, до которого соблюдается этот закон (точка А на диаграмме), называется пределом пропорциональности. Обозначения механических характеристик материала стандартизованы с тем, чтобы можно было пользоваться технической литературой без пояснений. Однако в СССР и в странах Запада обозначения отличались. Поэтому мы будем приводить обозначения, которые были приняты в СССР, (так как почти вся выпушенная техническая литература имеет такие обозначения), а в скобках давать обозначения, принятые в странах Запада.

Рис. 1

Из рисунка нетрудно видеть, что:

,

т.е. модуль продольной упругости Е графически представляет собой тангенс угла наклона прямолинейного участка диаграммы к оси абсцисс.

При нагружении образца до точки В в нем не появляется остаточных деформаций. Если его разгрузить, то он примет исходные размеры. Наибольшее напряжение, до которого в образце не возникает остаточных деформаций называется пределом упругости и обозначается .

Точки А и В лежат столь близко друг к другу, что на практике их обычно считают совпадающими, полагая . К тому же следует иметь в виду, что выявление обоих пределов представляет немалые трудности. Даже при достаточно точных измерениях далеко не все точки ложатся на прямую ОА вследствии неизбежной неоднородности материала и конструктивных несовершенств испытательной машины. Отчасти по этим же причинам и деформация при разгрузке полностью не исчезает. Поэтому опытным путем устанавливают лишь условные, технические значения указанных пределов.

После точки В продолжается дальнейшее искривление диаграммы и в точке С она переходит в горизонтальный участок  площадку текучести. Стрелка силоизмерительного аппарата машины останавливается, т.е. образец удлиняется при постоянной нагрузке. Соответствующее напряжение называют пределом текучести . Он является одной из основных характеристик материала. Для стали Ст. 3=215—255 МПа в зависимости от способа раскисления (кипящая, полуспокойная, спокойная), вида поката (листовой, фасонный) и его толщины.

Ряд материалов при растяжении дает диаграмму без выраженной площадки текучести (см. рис. 2.). Для них устанавливается так называемый условный предел текучести . За него принято напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2%. Для его нахождения на оси абсцисс откладывают 0,2% и проводят прямую ВС, параллельную участку ОА до пересечения с диаграммой.

Рис. 2

Точку пересечения сносят на ось ординат. Это и будет условный предел текучести . Площадка текучести отсутствует для сталей с содержанием углерода менее 0,1% и более 0,3%, а также в алюминиевых сплавах, бронзе и некоторых других материалах.

Как показывают исследования образцов из сталей, текучесть сопровождается значительными взаимными сдвигами кристаллов, в результате чего на поверхности образца появляются линии (так называемые линии Людерса-Чернова), наклоненные к оси образца под углом 45° (см. рис. 3,а.).

Рис. 3

После прекращения текучести сталь снова способна противостоять деформированию  она как бы самоупрочняется. В стадии самоупрочнения материал работает упруго-пластически. Зависимость между напряжением и деформациями подчиняется, как на участке ДЕ (см. рис. 1.), криволинейному закону; но с большим нарастанием деформаций, т.е. диаграмма имеет более пологий характер.

Точка Е диаграммы соответствует наибольшему условному напряжению, называемому пределом прочности или временным сопротивлением . Предел прочности это некоторая условная характеристика, она не является напряжением, при котором материал разрушается, так как при разрушении площадь сечения образца значительно меньше первоначальной.

До достижения предела прочности продольные и поперечные деформации образца равномерно распределяются по его длине. После достижения точки Е диаграммы эти деформации концентрируются в наиболее слабом месте, где начинает образовываться шейка  местное значительное сужение (см. рис. 3, б), которое быстро прогрессирует.

С этого момента продольная деформация зависит уже не столько от длины образца, сколько от его диаметра. Этим объясняется необходимость иметь для нормальных образцов определенное отношение между длиной и диаметром для сравнимости результатов испытаний.

С образованием шейки (после точки Е) нагрузка падает и в точке М происходит разрушение образца (см. рис. 1).

При разрыве образца образуется поперечная трещина в центре поперечного сечения в самом узком месте шейки, а остальное сечение скалывается под углом в 45° к оси стержня, так что на одной части разорванного образца образуется выступ, на другой  кратер (рис. 3.в). Такая форма разрушения образцов из малоуглеродистой стали показывает, что разрушение связано со сдвигом по площадкам, наклонным под углом 45° к оси стержня, где касательные напряжения будут наибольшими.

С удлинением образца его поперечное сечение уменьшается. Поэтому истинное напряжение, определяемое как отношение силы F к действительной площади поперечного сечения А, будет выше, условного (на диаграмме показано пунктирной линией), что особенно различается для точки разрыва М (см. рис. 1).