лекция 7

ЛЕКЦИЯ 7. Экспериментальные исследования материалов при растяжении-сжатии. Диаграммы напряжений-деформаций. Влияние температуры и скорости нагружения. Понятие о наклёпе и ползучести.

Экспериментальные исследования материалов при растяжении-сжатии. Испытания образцов материалов, выполняемые для определения характеристик прочности и пластичности материалов, называются механическими испытаниями.

Рис. 7.1. Типичная диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали

Первый – прямолинейный участок диаграммы (до точки А) – характеризует прямопропорциональную зависимость между нагрузкой F и удлинением , описываемую законом Гука (). Точке А диаграммы соответствует нагрузка F_pr, вызывающая в поперечном сечении образца нормальное напряжение, при котором ещё справедлив закон Гука, называется пределом пропорциональности , определяемое по формуле (7.1).

(7.1)

Здесь А₀ – начальная площадь поперечного сечения образца, без учёта её уменьшения в процессе деформации. Напряжения, вычисляемые с использованием начальной площади сечения А₀, называются условными.

Вторая характерная точка диаграммы – В. Она соответствует пределу упругой работы материала и располагается на следующем – криволинейном – участке.

Пределом упругости называется напряжение, при котором относительная остаточная деформация материала достигает 0,05% и определяется как

(7.2)

Точки А и В располагаются очень близко друг другу, поэтому обычно считают, что нагрузки F_pr и F_е примерно равны, так же как и пределы и .

Часть диаграммы, расположенной левее точки В, характеризует упругую стадию работы материала образца, а правая часть диаграммы – упруго-пластическую стадию.

При превышении нагрузкой значения F_е наблюдается ускоренный рост деформации образца, а при достижении некоторого значения F_s удлинение образца увеличивается практически при постоянной нагрузке (материал «течёт»). Участок диаграммы, характеризующийся постоянством ординат F = F_s = const, называется площадкой текучести. Его начало – точка С – является третьей характерной точкой диаграммы.

Напряжение, отвечающее началу площадки текучести, при котором происходит рост деформаций при примерно неизменной нагрузке, называется пределом текучести:

(7.3)

В процессе текучести в кристаллах феррита интенсивно развиваются сдвиги по плоскостям скольжения, наклонным в среднем на 45^о к продольной оси образца. Результаты этих сдвигов можно наблюдать на поверхности плоского отполированного образца в виде наклонных (под углом ) полос, называемых линиями Чернова – Людерса.

После площадки текучести начинается стадия упрочнения материала: на диаграмме наблюдается увеличение нагрузки, воспринимаемой образцом. По мере увеличения деформации рост нагрузки становится всё более медленным, что объясняется уменьшением площади поперечного сечения образца. До точки D (рис. 7.1) образец деформируется равномерно, т.е. размеры всех поперечных сечений практически одинаковы).

Дальнейшее уменьшение площади сечения приводит к тому, что образец оказывается неспособным воспринимать возрастающую нагрузку, на диаграмме возникает максимум (точка D), после чего нагрузка плавно уменьшается, и при некотором значении F_Р происходит разрыв образца.

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке F_max, называется пределом прочности или временным сопротивлением материала :

(7.4)

а сила F_max носит название нагрузки, соответствующей пределу прочности. Величина F_max является ординатой высшей точки D диаграммы растяжения.

Считают, что при нагрузке F_max начинается разрушение; качественно меняется характер деформации образца: процесс равномерного растяжения становится неустойчивым, и деформации локализуются в небольшом объёме образца. Внешне это проявляется возникновением на небольшом участке длины образца четко выраженного сужения (шейки). Место развития шейки определяется случайными факторами: малыми отклонениями от геометрии образца, микродефектами его поверхности, неоднородностью материала и т.п.

Разрыв образца происходит в самом узком месте шейки. Площадь сечения в месте разрыва А₁ в несколько раз меньше площади сечения за пределами шейки и в 3–5 раз (для малоуглеродистой стали) меньше начальной площади сечения А₀. Если учитывать действительную площадь в месте разрыва, то истинное напряжение в шейке при разрушении

(7.5)

оказывается значительно больше предела прочности Но использовать его в практических расчётах нельзя, так как после образования шейки и связанного с этим существенного изменения геометрии образца условия работы материала в зоне сосредоточенных деформаций (в шейке) становятся резко отличными от исходных: вместо линейного напряженного состояния возникает объёмное.

Пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности называются характеристиками прочности материала.

К механическим характеристикам относятся также и характеристики пластичности материала – относительное остаточное удлинение после разрыва и относительное остаточное сужение поперечного сечения после разрыва .

По диаграмме растяжения может быть построен график зависимости между условными напряжениями и относительными деформациями (рис. 7.2, сплошная линия).

Диаграммы напряжений-деформаций. Полученная таким образом диаграмма является условной, так как при определении напряжений не учитывается фактическое изменение площади поперечного сечения, а при вычислении относительных деформаций игнорируется резкая неравномерность распределения деформации по длине образца в стадии разрушения (после образования шейки). Если учесть указанные факторы, то можно получить истинную диаграмму напряжений, показанную на рис. 7.2 штриховой линией.

Рис. 7.2. Диаграмма напряжение-деформация

а) б)

Рис. 7.3. Диаграммы растяжения: а) для материалов, не имеющих площадки текучести; б) для хрупких материалов

Для испытаний образцов на сжатие изготавливают короткие цилиндрические образцы, у которых h ≤3 d (сталь, чугун, цветные металлы). Образцы из дерева, бетона, цементного камня и др. изготавливают в виде кубиков. Ниже приведены типичные диаграммы сжатия некоторых материалов.

а) б) в) г)

Рис. 7.4 Диаграммы сжатия: а) для пластичных материалов; б) для чугуна; в) для бетона; г) для дерева

У хрупких материалов пределы прочности при сжатии значительно выше пределов прочности при растяжении.

Влияние температуры и скорости нагружения. Понятие о наклёпе и ползучести. Механические характеристики на растяжение и сжатие не являются неизменными параметрами материала, они зависят от температуры, термической и механической обработки, радиоактивного облучения, скорости нагружения и некоторых других факторов. При повышении температуры характеристики прочности понижаются, а характеристики пластичности повышаются. При понижении температуры повышается хрупкость – хладноломкость. Термическая обработка – закалка повышает прочностные характеристики, но понижает характеристики пластичности. Влияние радиоактивного облучения аналогично понижению температуры и зависит от дозы. При ускоренном нагружении возрастают предел текучести и временное сопротивление, механическая обработка приводит к наклёпу. Наклёп – увеличение упругих характеристик материала при предварительной пластической деформации

В загруженных конструкциях происходит перераспределение усилий, напряжений, перемещений и деформаций, связанное с ползучестью и релаксацией. Многие материалы обладают ползучестью, под которой понимается рост деформаций во времени при постоянных напряжениях. Под релаксацией понимается уменьшение напряжением с течением времени при постоянной деформации.

4