Назначение и виды испытаний

Повышение условного предела текучести при повторных нагружениях (наклеп

Важные характеристики пластичности материала.

Механические свойства материалов. Диаграмма растяжения.

ПРИ РАСТЯЖЕНИИ И СЖАТИИ

ПЛАН:

Для изучения свойств материалов и установления значения предельных напряжений (по разрушению или по пластическим деформациям) производят испытания образцов материала вплоть до разрушения. Испытания производят при нагрузках следующих категорий: статической, ударной и циклической (ис­пытание на усталость или выносливость).

По виду деформации, испытываемой образцом, различают испытания на растяжение, сжатие, кручение и изгиб. Значитель­но реже проводят испытания на сложное сопротивление, напри­мер сочетание растяжения и кручения.

Так как результаты испытаний зависят от формы образца, скорости его деформирования, температуры при испытании и т. д., то эксперимент обычно ведут в условиях, предусмотрен­ных ГОСТами.

Испытания производят на специальных машинах, разнооб­разных по конструкции и мощности.

Для измерения деформаций применяют специальные прибо­ры (тензометры), имеющие высокую чувствительность.

2. Диаграммы растяжения и сжатия

Наибольшее распространение имеют испытания на растяже­ние статической нагрузкой, так как они наиболее просты и в то же время во многих случаях дают возможность достаточно верно судить о поведении материала при других видах деформации.

На рис. 1 показаны применяемые образцы для испытаний на растяжение.

Применяют как цилиндрические образцы диаметром 3мм и более (рис. 1, а, б, в), так и плоские (рис. 1, г) толщиной 0,5 мм и более с начальной расчетной длиной l₀ =5,65A^1/2 или l₀ = 11,3A^1/2. В первом случае образцы называюткороткими, во втором —длинными.

Соотношение между рабочей l₁=l_раб и расчетной l₀ длинами принимают:

для цилиндрических образцов от l₁ = l₀ +0,5 d₀ до l₁ = l₀ +2 d₀;

для плоских образцов толщиной 4 мм и более от l₁ = l₀ +1,5A^1/2 до l₁ = l₀ + 2,5A^1/2.

При испытании цилиндрических образцов в качестве основ­ных применяют образцы диаметром d₀ =10 мм.

Целью испытания на растяжение является определение ме­ханических характеристик материала. При испытании автомати­чески записывается диаграмма зависимости между растягиваю­щей образец силой F и удлинением образца Δ l. По очертанию она похожа на диаграмму, представленную на рис.2.

Рисунок 1

Рисунок 2

Для того чтобы модно было сравнивать результаты испыта­ния образцов различных размеров, изготовленных из одинаковых материалов, диаграмму растяжения перестраивают и изо­бражают в другой системе координат: по оси ординат отклады­вают значение нормального напряжения в поперечном сечении растягиваемого образца σ_р=F/А₀, где A₀ — первоначальная площадь сечения образца, а по оси абсцисс откладывают отно­сительные удлинения образца ε= Δ l/ l₀, где l₀ — его первона­чальная длина.

Эту диаграмму называют условной диаграммой растяжения (или диаграммой условных напряжений), так как напряжения и относительные удлинения вычисляются соответственно по от­ношению к первоначальной площади сечения и первоначальной длине образца.

На рис. 2 приведена в координатах ε, σ_р, диаграмма растя­жения образца из малоуглеродистой стали. Как видно, вначале на участке ОА до некоторого напряжения σ_пр, называемого пределом пропорциональности, деформации растут пропорционально напряжениям. Следовательно до продела пропорцио­нальности сохраняет силу закон Гука. Для стали СтЗ предел пропорциональности σ_пр =210 МПа. При дальнейшем увеличе­нии нагрузки диаграмма становится криволинейной.

Однако если напряжения не превосходят определенного зна­чения предела упругости σ_у. то материал сохраняет свои упругие свойства, т. е. при разгрузке образец восстанавливает свою первоначальную форму и размеры.

Для стали СтЗ предел упругости σ_у =220 МПа. Разница между пределом пропорциональности и пределом упругости не­велика, и на практике обычно не делают различия между ними.

Если нагрузку увеличивать еще дальше, то наступает такой момент (точка С), когда деформации начинают расти практиче­ски без увеличения нагрузки.

Горизонтальный участок СD диаграммы называется пло­щадкой текучести.

Напряжение, пря котором происходит рост деформаций без увеличения нагрузки, называется пределом текучести и обозна­чается σ_т.

Для сталиСтЗ предел текучести σ_т =230МПа.

Ряд материалов при растяжении дает диаграмму без выра­женной площадки текучести: для них устанавливается так называемый условный предел текучести.

Напряжение, при котором остаточная деформация равна 0,2%, называется условным пределом текучести.

Условный предел текучести обозначается σ_0,2. К материа­лам для которых определяется условный предел текучести, относятся дюралюминий, бронза, высокоуглеродистые и легированные стали (например, для стали 37ХН3А σ_0,2 = 1000 МПа).

Как показывают исследования образцов стали, 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 примерно 45° (рис. 3, а).

Удлинившись на некоторую величину при постоянном значе­нии силы, т. е. претерпев состояние текучести, материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению (упрочня­ется) и диаграмма за точкой D поднимается вверх, хотя гораздо более полого, чем раньше (см. рис. 2).

Точка Е диаграммы соответствует наибольшему условному напряжению, называемому пределом прочности или временным сопротивлением. Для стали СтЗ предел прочности составляет σ_в =380 МПа. У высокопрочных сталей величина предела прочности достигает 1700 МПа (сталь 40ХМНА и др.). Предел прочности при растяжении обозначается σ_вр,присжатии – σ_вс.

Рисунок 3

При достижении напряжением величины предела прочности на образце появляется резкое местное сужение, так называемая шейка (рис. 3, б). Площадь сечения образца в шейке быстро уменьшается и, как следствие, падает усилие и условное напря­жение. Разрыв образца происходит по наименьшему сечению шейки.

Часто временное сопротивление определяют как напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.

Кроме перечисленных выше характеристик прочности мате­риала при испытании на растяжение определяют также относи­тельное остаточное удлинение при разрыве ε_р, являющееся важ­ной характеристикой пластичности материала:

, (1)

где l₀ – первоначальная расчетная длина образца [см. рис. (1)]; l₁ – расчетная длина образца после разрыва. Она изме­ряется после стыковки двух частей разорванного образца.

Для стали СтЗ ε_р >21%. У высокопрочных сталей эта величина снижается до 7—10%. Величина ε_р, зависит от соотношения между длиной образца и его поперечными размерами. Поэтому в справочниках указывается, на каком образце определялась величина ε_р. Например, ε_р,5 обозначает, что удлинение было определено на пятикратном образце, т. е. образце, у которого отношение расчетной длины к диаметру равно пяти.

Определенное таким путем удлинение является некоторым средним удлинением, так как деформации распределяются по длине образца неравномерно. Наибольшее удлинение возникает в месте разрыва. Оно называется истинным удлинением при разрыве.

Второй характеристикой пластичности материала является относительное остаточное сужение при разрыве

(2)

где А₀ — первоначальная площадь поперечногосечения; А₁ — площадь поперечного сечения в наиболее тонком месте шейки после разрыва.

Величина ψ_р – характеризует свойства пластичности более точно, чем ε_р, поскольку она в меньшей степени зависит от фор­мы образца. Для стали СтЗ значение ψ_р составляет 50—60%.

Как было отмечено выше, диаграммы растяжения для мно­гих марок стали, а также сплавов цветных металлов не имеют площадки текучести. Характерный вид диаграммы растяжения для подобных материалов показан на рис. 4.

Рисунок 4

Для изучения значительных пластических деформаций не­обходимо знать истинную диаграмму растяжения, дающую за­висимость между истинными деформациями и истинными напря­жениями, которые вычисляются путем деления растягивающей силы па истинную площадь поперечного сечения образца (с уче­том сужения).

Так как истинная площадь поперечного сечения меньше первоначальной, то диаграмма истинных напряжений идет выше диаграммы условных напряжений, особенно после образования шейки, когда происходит редкое уменьшение поперечного сече­ния образца (кривая OCS на рис. 2).

Обычно применяют приближенные способы построения ди­аграммы истинных напряжений, которые излагаются в полных курсах сопротивления матери­алов.

Рассмотренная диаграмма растяжения (см. рис. 2) явля­ется характерной для так назы­ваемых пластичных материалов, т. е. материалов, способных по­лучать значительные остаточные деформации ε_р не разрушаясь.

Чем пластичнее материал, тем больше ε_р. К числу весьма пластичных материалов относятся медь, алюминий, латунь, ма­лоуглеродистая сталь и др.

Менее пластичными являются дюраль и бронза, а слабопластичными материалами – большинство легированных сталей.

Противоположным свойству пластичности является хрупкость, т. е. способность материала разрушаться при незначи­тельных остаточных деформациях. Для таких материалов вели­чина остаточного удлинения при разрыве не превышает 2—5%, в ряде случаев измеряется долями процента. К хрупким матери­алам относятся чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, камень, бетон, стекло, стеклопластики и др. Следует отметить, что деление материалов на пластичные и хрупкие является условным, так как в зависимости от условий испытания (скорость нагружения, температура) и вида напряженного со­стояния хрупкие материалы способны вести себя как пластич­ные, а пластичные – как хрупкие.

Например, чугунный образец в условиях всестороннего сжа­тия ведет себя как пластичный материал, т. е. не разрушается даже при значительных деформациях. И наоборот, стальной образец с выточкой разрушится при сравнительно небольшой деформации.

Таким образом, правильнее говорить о пластичном и хруп­ком состояниях материала.

3. Повышение условного предела текучести

при повторных нагружениях (наклеп)

Если при нагружении образца не был превышен предел упругости, то при разгружении все деформации полностью ис­чезнут и при повторном нагружении этот образец будет себя вести так же, как и при первом нагружении.

Если же образец был нагружен до напряжения, большего предела упругости, например до напряжения, соответствующего точке К диаграммы на рис. 2, то разгрузка пойдет по прямой КL, параллельной линии ОА. Упругая часть деформации (отре­зок LM) исчезнет, пластическая же часть деформации (отрезок OL ) останется.

Если материал нагружать снова, то диаграмма пойдет по прямой LK до самой точки K. Остаточное удлинение при раз­рыве будет измеряться величиной отрезка LR, т. е. иметь мень­шую величину, чем при первичном однократном нагружении до разрыва. Линия нагрузки не совсем совпадает с линией разгрузки, но отклонение незначительно и его можно не учитывать. Следовательно, при повторных нагружениях образца, пред­варительно растянутого до возникновения в нем напряжений, больших предела текучести, предел пропорциональности повы­шается до того уровня, которого достигли напряжения при предшествующей нагрузке. Если между разгрузкой и повторным нагруженном был перерыв, то предел пропорциональности повы­шается еще больше.

Следует отметить, что диаграмма LKEN получаемая при повторном нагружении, не имеет площадки текучести, поэтому для образца, претерпевшего разгрузку и повторное нагружение, определяется условный предел текучести σ_0,2, который, оче­видно, выше предела текучести при первичном нагружении. В указанном смысле можно говорить о повышении предела текучести при повторном нагружении.

Явление повышения предела пропорциональности и сниже­ния пластичности материала при повторных нагружениях назы­вается наклепом. Наклеп во многих случаях является нежела­тельным явлением, так как наклепанный металл становится более хрупким.

Однако в целом ряде других случаев наклеп полезени егосоздают искусственно, например, в деталях, подвергающихся воздействию переменных нагрузок.

Литература

Основная

1. Беляев Н.М. Сопротивление материалов, «Наука», М., 1976, [1], гл. I, §§1-5.

2. Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов, «Высшая школа», М., 1975, [2], гл. I, §§1.1-6.1.

3. Васильев В.З. Краткий курс сопротивления материалов с основами теории упругости, издание «Иван Феодоров», Санкт-Петербург, 2001г.

4. Смирнов А.Ф. Сопротивление материалов, «Высшая школа» М., 1975г.

Дополнительная.

1. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов, «Наука», М., 1975г.

2. Таран В.И. Сопротивление материалов. Пособие по решению задач, издание «Демеу» Алматы, 1992, 204 с.

ЛЕКЦИЯ 5

ТЕМА: Расчеты на прочность и жесткость