Нагрузки, напряжения, деформаци и механические свойства материалов

Лекция 6

 

В зависимости от изменения во времени внешние нагрузки, действующие на элементы конструкций, подразделяются на статические и динамические. Статические нагрузки характеризуются малой скоростью изменения своей величины, динамические нагрузки изменяются во времени с большими скоростями, например при ударном нагружении.

В зависимости от характера действия нагрузки подразделяют на растягивающие (рис. 6.1а), сжимающие (рис. 6.1б), изгибающие (рис. 6.1в), скручивающие (рис. 6.1г), срезающие (рис. 6.1д).

Рис. 6.1 Основные виды нагружения:

а — растяжением; б — сжатием; в — изгибом; г — кручением; д — срезом

Изменение нагрузки может иметь периодически повторяющийся характер, вследствие чего их называют повторно-переменными или циклическими.

Внутренние силы, возникающие под воздействием внешних нагрузок, а также структурно-фазовых превращений в материале конструкции, приходящиеся на единицу площади поперечного сечения тела, называют напряжениями. В простейшем случае осевого растяжения цилиндрического стержня (рис. 6.1а) напряжение σ в поперечном сечении определяется как отношение растягивающей силы Р к площади поперечного сечения F₀, т. е. σ = Р/ F₀.

Действие внешних сил приводит к деформации тела, т. е. к изменению его размеров и формы.

В процессе упругой деформации атомы в кристаллической решетке незначительно смещаются друг относительно друга. При снятии внешней нагрузки под действием сил межатомного взаимодействия атомы возвращаются в исходное положение, искажения решетки исчезают, а тело принимает первоначальные форму и размеры.

В процессе пластической деформации атомы в кристаллической решетке смещаются на большие расстояния и это смещение становится необратимым. После снятия нагрузки в результате пластической деформации размеры и форма тела изменяются.

Упругопластическая деформация при достижении достаточно высоких напряжений может завершиться разрушением тела. Процесс разрушения состоит из нескольких стадий: зарождение микротрещин, образование макротрещин, распространение макротрещины по всему сечению тела.

В общем случае различают вязкое и хрупкое разрушения. Вязкое разрушение происходит срезом под действием касательных напряжений и сопровождается значительной пластической деформацией. Для вязкого разрушения характерен волокнистый (матовый) излом детали или образца. Хрупкое разрушение происходит под действием нормальных растягивающих напряжений, вызывающих отрыв одной части тела от другой без заметных следов макропластической деформации. Для хрупкого разрушения характерен кристаллический (блестящий) излом.

Механическими свойствами материалов называют свойства, которые выявляются испытаниями при воздействии внешних нагрузок.

Такие испытания разделяют:

• по способу нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, циклическое нагружение и др.);

• по скорости нагружения (статическая, динамическая);

• по протяженности процесса испытания во времени (кратковременная, длительная).

В результате механических испытаний материалов определяют следующие характеристики: упругость, пластичность, прочность, твердость, вязкость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость, жаропрочность.

Первые четыре характеристики определяют при испытаниях образцов на растяжение и твердость. Методики этих испытаний мы рассматривали при проведении лабораторной работы и здесь их касаться не будем. Bcпомним только, что под упругостью или жесткостью понимают способность тела сопротивляться упругой деформации Характеристикой упругости является модуль упругости Е, представляющий собой коэффициент пропорциональности между прилагаемым напряжением Е и относительным удлинением, получаемым телом под действием нагрузки

σ = Е δ

Чем меньшую упругую деформацию претерпевает материал под действием нагрузки, тем выше его модуль упругости и жесткость. Модуль упругости —характеристика, нечувствительная к структуре и термообработке материала, определяется силами межатомного взаимодействия и является константой материала. Для стали значение Е=210МПа.

Под прочностью понимают способность тела (металла) сопротивляться деформациям и разрушениям. Для малых пластических деформаций характеристикой прочности является предел текучести σ_Т — наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки («течет»). Если нет площадки текучести, то определяют условный предел текучести σ_0,2 - напряжение, при котором образец получает остаточное удлинение, равное 0,2 % первоначальной расчетной длины.

Для значительных пластических деформаций характеристикой прочности является временное сопротивление разрыву (σ_В) — напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения.

 

Пластичность это способность тела (металла) к пластической деформации, т. е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности. Характеристиками пластичности являются относительное удлинение δ, %, и относительное сужение ψ, %:

δ = [(l - l₀) / l₀] 100,

где l — длина образца после разрыва; l₀ — первоначальная длина образца;

ψ = [(F₀ - F) / F₀] 100,

где F — площадь сечения разрушившегося образца в месте разрыва; F₀— первоначальная площадь сечения образца.

Условно принято считать металл надежным при δ ≥ 15 %, ψ ≥ 45 %.

Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление деформации в поверхностном слое при местных контактных воздействиях. В зависимости от метода определения различают твердость - по Бринеллю (НВ); - по Роквеллу (HRC или HRA);- по Виккерсу (НV).

В некоторых случаях определяют микротвердость отдельных участков металла. Этот метод используют для измерения твердости отдельных зерен или очень тонких слоев (обозначают МН).

Трещиностойкостью называют свойство материалов сопротивляться развитию трещин при механических и других воздействиях. Для определения трещиностойкости специальные массивные образцы с надрезом и заранее нанесенной трещиной различной длины (рис. 6.3) подвергают испытанию растяжением на вязкость разрушения.

Рис. 6.5 Внешний вид образца для определения вязкости разрушения (К_Ic)

 

Задача испытания — определить нагрузку и длину трещины, при которых начинается самопроизвольное развитие трещины. По результатам испытаний определяют коэффициент К_Ic, который называют вязкостью разрушения. Коэффициент К_Ic показывает, какого значения (интенсивности) достигают напряжения вблизи вершины трещины в момент разрушения. Он связывает приложенное напряжение σ с критической длиной трещины l_кр:

К_Ic = σ (α π l_кр)^0,5, МПа м^0,5

где α — безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины.

Чем больше значение К_Ic, тем больше сопротивление материала образца вязкому разрушению.

Практическое значение коэффициента К_Ic заключается в том, что, зная его, можно определить разрушающее напряжение σ в зависимости от размера дефекта или, наоборот, по известному значению напряжения в детали можно установить размер трещины, при котором произойдет разрушение.

Вязкость - способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации. Характеристикой является ударная вязкость (КС), определяемая как отношение работы разрушения К, затраченной на деформацию и разрушение ударным изгибом надрезанного образца, к начальной площади поперечного сечения образца в месте надреза S₀, по формуле КС = К/S₀ (МДж/м²) Определяют при проведении динамических испытаний на ударный изгиб. Метод основан на разрушении образца с надрезом одним ударом маятникового копра (рис. 6.7).

 

Рис. 6.7 Схема испытаний на ударную вязкость

 

Образец устанавливают на опорах копра и наносят удар по стороне образца, противоположной надрезу. Работа, затраченная на изгиб и разрушение образца, рассчитывается, как разница между общим запасом энергии маятника и энергией, затраченной на его взлет после разрушения образца, и определяется по формуле:

К = P g (H — h) = P g l (cos α₂ — cos α₁),

где P — масса маятника; g — ускорение силы тяжести; H, h — высота подъема маятника до удара и после разрушения образца; l — длина маятника; α₁, α₂- углы подъема маятника до удара и после разрушения образца. Величины Р, Н, l, α₁ — постоянны, поэтому при испытании значение работы разрушения определяют с помощью специальных таблиц по значению α₂ (h).

Обычные образцы для испытаний на ударную вязкость имеют сечение 10х10 мм.

В зависимости от вида концентратора напряжений различают образцы трех типов: с радиусом дна надреза 1,0 мм (тип U); 0,25 мм (тип V) и инициированной трещиной (тип Т). Т - образный надрез наиболее острый. Чем острее надрез, тем более жестким испытаниям подвергается металл. Вид надреза входит в обозначение ударной вязкости в виде последней буквы - KCU, KCV, KCT. Испытания на ударный изгиб проводят не только при комнатной, но и при повышенных и минусовых температурах. Для этого образцы нагревают или охлаждают до заданной температуры, а затем быстро переносят на копер и подвергают излому.

Испытания на ударный изгиб позволяют установить ряд ценных свойств материала: его способность выдерживать ударные нагрузки, склонность к хрупкому разрушению, чувствительность к надрезам.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: