13) Экспериментальное изучение свойств материалов. Диаграмма растяжения. Коэффициенты запаса прочности. Определение допускаемых напряжений.

Экспериментальные изучения свойств материалов

В результате эксперимента определяются параметры характеризующие физ. (υ,Е) и мех.(σ_упр,σ_пропор,σ_текуч, σ_времен) свойства материалов. Физ. свойства не зависят от напряженного состояния образца (растяжение, изгиб, кручение), а механические зависят. Всех эти величины мы определяем по диаграмме. Для начала чертим диаграмму в координатах «сила- удлинение». Но для изучения свойств материала значительно удобнее иметь диаграммы, построенные в координатах «напряжение – относительная деформация» (рис- ниже).

Пока растягивающие напряжения не достигают некоторой величины σ_ПЦ., диаграмма представляет собой прямую линию, т.е. относительные удлинения Е прямопропорциональны удлинением σ; то есть, до этого предела справедлив закон Гука. Напряжение σ_ПЦ. называется пределом пропорциональности.

σ_ПЦ.=F_ПЦ./А₀

А₀-первоначальная (до деформации) площадь поперечного сечения образца. F_{ПЦ .}– максимальная сила, до которой F пропорционально ΔF.

После достижения условия пропорциональности следует участок- криволинейный, на котором присутствует предел упругости.

σ_УПР.=F_Упр./А₀

F_УПР.- максимальная сила до которой сохраняются упругие силы образца.

Предел упругости- напряжение до которого сохраняются упругие свойства материала, тесть остаточная деформация при разгрузке не обнаруживается.

Начиная с момента, когда напряжения достигнуть некоторой величины σ_Т., деформации растут без увеличения напряжений, тоесть без значительного увеличения силы, и на диаграмме получается участок, параллельный оси абсцисс. Это явление наз. текучестью материала, а напряжение σ_Т.- пределом текучести. Участок диаграммы, параллельный оси абсцисс, наз. площадкой текучести.

σ_Т.=F_T./A₀

F_T.- минимальная сила при которой начинает течь материал.

При дальнейшем растяжении образца напряжения, выдерживаемое образцом, наз. пределом прочности, или временным сопротивлением, и обозначается σ_Т.. Это напряжение соответствует точке 3 диаграммы. Последующее растяжение образца сопровождается уменьшением растягивающей силы. То есть, предел прочности представляет собой отношение наибольшей силы, которую выдерживает образец, к первоначальной площади его поперечного сечения.

σ_В.=F_MAX./A₀

F_MAX.-максимальная сила, которую выдерживает материал обраца до разрушения.

После достижения максимальной силы, при дальнейшем растяжении образца деформация происходит, главным образом, на небольшой длине образца. Это ведет к обрзованию местного сужения в виде шейки и к падению силы. Обозначим через F_K. Величину растягивающей силы в момент разрыва, получим

σ_К.=F_K./A₀

Допускаемое напряжение может быть определено по формуле;

σ _МАХ.≤[σ ]

[σ]=σ₀/ n

где σ₀-опасное напряжение (σ_Т. – для деталей из пластичного материала, σ_ВР.- для деталей из хрупкого материала)

n- коэффициент запаса прочности, показывающий, во сколько раз допускаемое напряжение меньше опасного.

Выбор величины коэффициента запаса прочности зависит от состояния материала (хруп- кое или пластичное), характера приложения нагрузки (статическая, динамическая, повторно- переменная) и некоторых общих факторов. К этим факторам относятся;

1)неоднородность материала, а, следовательно, различие его механических характеристик в малых образцах и деталях.

2) неточность задания величин внешних нагрузок.

3)приближенность расчетных схем и некоторая приближенность расчетных схем.

Для пластичных материалов в случае статической нагрузки опасным напряжением, следует считать предел текучести, т. е. σ⁰=σ_Т., а n=n_Т.. Тогда

[σ ]=σ⁰/n=σ_Т./n_T.

Для хрупких материалов при статической нагрузке опасным напряжением является временное сопротивление и тогда

[σ ]=σ⁰/n=σ_В../n_В.

Принимают, что запас прочности n_В.=2,5 до 3,0

Основная задача сопротивления материалов – обеспечить надежные размеры деталей, подверженных тому или иному силовому, температурному или другому воздействию. Такие размеры можно определить из расчета на прочность и жесткость. Отметим прежде всего, что опасность наступления разрушения характеризуется не столько величинами внутренних усилий и моментов в сечении, сколько величинами нормальных наибольших и касательных напряжений, которые действуют в опасных точках сечения. поэтому величины наибольших напряжений из условия надежности работы детали необходимо ограничивать некоторыми допустимыми напряжениями. Допускаемые напряжения можно обозначать [σ₊] – при растяжении, [σ_-]-при сжатии

Так допускаемые напряжения можно находить из формул запаса прочности.