Основные механические характеристики материала

Для того, чтобы оценить свойства не образца, а материала, перестраивается диаграмма растяжения Р = f (D I) в координатах s и e. Для этого уменьшим в F раз ординаты и в l раз абсциссы, где F и l — соот­ветственно площадь поперечного сечения и рабочая длина образца до нагружения. Так как эти величины постоянны, то диаграмма s = f(e)имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, но будет характеризо­вать уже не свойства образца, а свойства материала.

Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, называется пределом про­порциональности (s_n).

Величина предела пропорциональности зависит от той степени точности, с которой начальный уча­сток диаграммы можно рассматривать как прямую. Степень отклонения кривой s = f(e)от прямой s = Е eопределяют по величине угла, который составляет касательная к диаграмме с осью s.

В пределах закона Гука тангенс этого угла определяется величиной 1/Е. Обычно считают, что если величина de/ds оказа­лась на 50% больше чем 1/Е,то предел пропорциональности достигнут.

Упругие свойства материала сохраняются до напряжения, называемого пределом упругости (s_у) — наибольшего напряжения, до которого материал не получает остаточных деформаций.

Для того чтобы найти предел упругости, необходимо после каждой дополнительной нагрузки образец разгружать и следить, не образовалась ли остаточная деформация. Так как пластические деформации в отдельных кристаллах появляются уже в самой ранней стадии нагружения, ясно, что величина предела упругости, как и предела пропорциональности, зависит от требований точности, которые накладываются на производимые замеры. Обычно остаточную деформацию, соответствующую пределу упругости, при­нимают в пределах e_ocт= (1¸5) 10^-5, т. е. 0,001 ¸ 0,005%. Соответственно этому допуску предел упругости обозначается через s _0,001 или s _0,005.

Следующей характеристикой является предел текучести — напряжение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки. В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести, за предел текучести принимается условно величина напряжения, при котором остаточная деформация e_ocт = 0,002 или 0,2% (рисунок 17). В некоторых случаях устанавливается предел e_ocт= 0,5%.

Условный предел текучести обозначается через s _0,2 и s _0,5 в зависимости от принятой величины допуска на остаточную деформацию. Индекс 0,2 обычно в обозначениях предела текучести опускается. Если необходимо отличить предел текучести на растяжение от предела текучести на сжатие, то в обозначение вводится соответственно дополнительный индекс «р» или «с». Таким образом, для предела текучести получаем обозначения s_тр и s_ст.

Предел текучести легко поддается определению и является одной из основных механических характеристик материала.

Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения носит название предела прочности, или временного сопротивления, и обозначается через s_вр (сжатие - s_вс).

s_вр не есть напряжение, при котором разрушается образец. Если относить растягивающую силу не к начальной площади сечения образца, а к наименьшему сечению в данный момент, можно обнаружить, что среднее напряжение в наиболее узком сечении образца перед разрывом существенно больше, чем s_вр. Таким образом, предел прочности также является условной величиной. В силу удобства и простоты ее определения она прочно вошла в расчетную практику как основная сравнительная характеристика прочностных свойств материала.

При испытании на растяжение определяется еще одна характеристика материала — удлинение при разрыве d %. Удлинение при разрыве представляет собой величину средней остаточной деформации, которая образуется к моменту разрыва на определенной стандартной длине образца.

Определение d % производится следующим образом.

Перед испытанием на поверхность образца наносится ряд рисок, делящих рабочую часть образца на равные части. После того как образец испытан и разорван, обе его части составляются по месту разрыва (рисунок 18). Далее, по имеющимся на поверхности рискам от сечения разрыва вправо и влево откладываются отрезки, имевшие до испытания длину 5d (рисунок 18). Таким образом определяется среднее удлинение на стандартной длине l ₀ = 10d. В некоторых случаях за l ₀ принимается длина, равная 5d. Удлинение при разрыве будет следующим:

.

Возникающие деформации распределены по длине образца неравномерно. Если произвести обмер отрезков, расположенных между соседними рисками, можно построить эпюру остаточных удлинений, по­казанную на рисунке 18. Наибольшее удлинение возникает в месте разрыва. Оно называется обычно истин­ным удлинением при разрыве. Диаграмма растяжения, построенная с учетом уменьшения площади Fи местного увеличения деформации, называется истинной диаграммой растяжения (кривая OC’D'на рисунке 19).

 

Рисунок 18 Рисунок 19

Пластичность и хрупкость. Твердость

 

Способность материала получать большие остаточные деформации, не разрушаясь, носит называние пластичности. Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др. Мерой пластичности является удлинение d при разрыве. Чем больше d, тем более пластичным считается материал. Противоположным свойству пластичности является свойство хрупкости, т.е. способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Материалы, обладающие этим свойством, называются хрупкими. Для таких материалов величина удлинения при разрыве не превышает 2 – 5%, а в ряде случаев измеряется долями процента. К хрупким материалам относятся чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, стекло, кирпич, камни и др. Диаграмма растяжения хрупких материалов не имеет площадки текучести и зоны упрочнения (рисунок 20).

По-разному ведут себя пластичные и хрупкие материалы и при испытании на сжатие. Как уже упоминалось, испытание на сжатие производится на коротких цилиндрических образцах. Для малоуглеродистой стали диаграмма сжатия образца имеет вид кривой, показанной на рисунке 21. Здесь, как и для растяжения, обнаруживается площадка текучести с последующим переходом к зоне упрочнения. В дальнейшем, однако, нагрузка не падает, как при растяжении, а резко возрастает. Происходит это в результате того, что площадь поперечного сечения сжатого образца увеличивается; сам образец вследствие трения на торцах принимает бочкообразную форму (рисунок 22). Довести образец пластического материала до разрушения практически не удается. Испытуемый цилиндр сжимается в тонкий диск (рисунок 22), и дальнейшее испытание ограничивается возможностями машины. Поэтому предел прочности при сжатии такого рода материалов найден быть не может.

Иначе ведут себя при испытании на сжатие хрупкие материалы. Диаграмма сжатия этих материалов сохраняет качественные особенности диаграммы растяжения (рисунок 20). Предел прочности хрупкого материала при сжатии определяется так же, как и при растяжении. Разрушение образца происходит с обра­зованием трещин по наклонным или продольным плоскостям (рисунок 23).

Рисунок 20 Рисунок 21 Рисунок 22

Сопоставление предела прочности хрупких материалов при растяжении s_вр с пределом прочности при сжатии s_вс показывает, что эти материалы обладают, как правило, более высокими прочностными показателями при сжатии, нежели при растяжении. Величина отношения для чугуна k колеблется в пределах 0,2 ¸ 0,4. Для керамических материалов к = 0 1 ¸ 0 2.

Для пластичных материалов сопоставление прочностных характеристик на растяжение и сжатие ве­дется по пределу текучести (s_тр и s_тс). Принято считать, что s_тр» s_тс.

Существуют материалы, способные воспринимать при растяжении большие нагрузки, чем при сжатии. Это обычно материалы, имеющие волокнистую структуру – дерево и некоторые виды пластмасс. Этим свойством обладают и некоторые металлы, например магний. Деление материалов на пластичные и хрупкие является условным не только потому, что между теми и другими не существует резкого перехода в показателе d. В зависимости от условий испытания многие хрупкие материалы способны вести себя как пластичные, а пластичные – как хрупкие.

Очень большое влияние на проявление свойств пластичности и хрупкости оказывает время нагружения и температурное воздействие. При быстром нагружении более резко проявляется свойство хрупкости, а при длительном воздействии нагрузок — свойство пластичности. Например, хрупкое стекло спо­собно при длительном воздействии нагрузки при нормальной температуре получать остаточные дефор­мации. Пластичные же материалы, такие, как малоуглеродистая сталь, под воздействием резкой ударной нагрузки проявляют хрупкие свойства.

Одной из основных технологических операций, позволяющих изменять в нужном направлении свойст­ва материала, является термообработка. Известно, например, что закалка резко повышает прочностные характеристики стали и одновременно снижает ее пластические свойства. Для большинства широко применяемых в машиностроении материалов хорошо известны те режимы термообработки, которые обеспечивают получение необходимых механических характеристик материала.

Испытание образцов на растяжение и сжатие дает объективную оценку свойств материала. В произ­водстве, однако, для оперативного контроля над качеством изготовляемых деталей этот метод испыта­ния представляет в ряде случаев значительные неудобства. Например, при помощи испытания на рас­тяжение и сжатие трудно контролировать правильность термообработки готовых изделий. Поэтому на практике большей частью прибегают к сравнительной оценке свойств материала при помощи пробы на твердость.

Под твердостью понимается способность материала противодействовать механическому проникно­вению в него посторонних тел. Понятно, что такое определение твердости повторяет, по существу, опре­деление свойств прочности. В материале при вдавливании в него острого предмета возникают местные пластические деформации, сопровождающиеся при дальнейшем увеличении сил местным разрушением. Поэтому показатель твердости связан с показателями прочности и пластичности и зависит от конкретных условий ведения, испытания.

Наиболее широкое распространение получили пробы по Бринеллю и по Роквеллу. В первом случае в поверхность исследуемой детали вдавливается стальной шарик диаметром 10 мм, во втором — алмаз­ный острый наконечник. По обмеру полученного отпечатка судят о твердости материала. Испытательная лаборатория обычно располагает составленной путем экспериментов переводной таблицей, при помощи которой можно приближенно по показателю твердости определить предел прочности материала. Таким образом, в результате пробы на твердость удается определить прочностные показатели материала, не разрушая детали.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: