Основные Механические свойства конструкционных материалов

Назначение и виды испытаний

Для изучения свойств материалов и установления значения предельных напряжений (по разрушению или по наступлению пластических деформаций) производят испытания образцов материалов вплоть до их разрушения. Испытания проводят при нагрузках следующих категорий: статической, ударной и циклической (испытания на выносливость).

По виду деформаций образцов: испытания на растяжение, на сжатие, на кручение и на изгиб.

Кроме того, проводят испытания материалов в обычных (нормальных) условиях, при высоких (низких) температурах, в агрессивных средах и т.д.

Для получения достоверных данных все испытания материалов ведут в соответствии с Государственными стандартами (ГОСТами).

Основным видом испытаний конструкционных материалов, дающим наибольшую информацию об их свойствах, являются статические испытания на растяжение и сжатие.

Диаграммы растяжения

Образцы для испытаний на растяжение чаще выполняют цилиндрическими (рис. 3.1, а); из листового материала обычно изготавливают плоские образцы (рис.3.1, б).

б)

а)

Рис. 3.1

В цилиндрических образцах с начальной площадью  согласно ГОСТу должно быть выдержано следующее соотношение между расчетной длиной  и диаметром : у длинных образцов     =10 ; у коротких –  = 5 .

Эти соотношения можно выразить в другой форме, учитывая, что . Так например, для длинного образца

               =10 .                          (3.1)

В качестве основных применяют образцы с диаметром = 10 мм. Допускается применение образцов других диаметров, пропорциональных основному. Для плоских образцов при определении расчетной длины  применяют диаметр равновеликого круга, т.е. , где  – площадь поперечного сечения плоского образца (рис. 3.1, б).

Длина рабочей части принимается: для цилиндрических образцов  = 1,05 ÷ 1,2 ; для плоских – = + (1,5 ÷ 2,5 ). Для уменьшения концентрации напряжений переход от рабочей части образца к захватным головкам выполняется конусным или по радиусу.

Диаграммы растяжения. При растяжении образцов из различных материалов установлено, что некоторые из них разрушаются после значительных пластических деформаций. Другие материалы -  при очень малых пластических деформациях.

Материалы первой группы называют пластичными, а второй – хрупкими. Следует отметить, что это разделение является условным, т.к. один и тот же материал в зависимости от ряда обстоятельств (напряженное состояние, температура, скорость нагружения и пр.) может вести себя как пластичный или как хрупкий. Поэтому правильнее говорить о пластичном или хрупком состоянии материалов.

Типичными представителями пластичных материалов являются: углеродистые стали, незакаленные легированные стали, медь, свинец, алюминий, а хрупких – чугун, закаленная легированная сталь, бетон, камень, стекло и др.

При испытании образцов на растяжение автоматически вычерчивается кривая в координатах растягивающая нагрузка – удлинение (), которую называют диаграммой растяжения.

На рис. 3.2 схематически изображены диаграммы растяжения образцов из четырех металлов: 1 – малоуглеродистой стали; 2 – легированной стали; 3 – меди; 4 – чугуна. Таким образом диаграммы растяжения типа 1, 2, 3, характерны для пластинчатых, а типа 4 – для хрупких материалов. На рис. 3.2 и далее индекс (+) относится к растяжению, а индекс (–) – к сжатию.

        Рассмотрим диаграмму 1 – типовую диаграмму растяжения пластичного материала. Отметим следующее:

1. На участке  до нагрузки  сохраняется пропорциональная зависимость между нагрузкой  и удлинением , т.е. справедлив закон Гука. После разгрузки образца деформации исчезают.

2. При  в образце появляются остаточные деформации, не исчезающие после снятия нагрузки, а при  наступает явление общей текучести, состоящее в том, что при постоянной нагрузке  абсолютные удлинения растут. Горизонтальный участок  диаграммы называется площадкой текучести.

Рис. 3.2                                           Рис. 3.3

Кроме того, при   на полированной поверхности образца появляются линии, наклоненные под углом, близким к 45º к его продольной оси, и называемые линиями Чернова-Людерса (рис. 3.4, а). Они представляют собой микроскопические неровности, возникающие вследствие сдвигов в тех плоскостях кристаллов материалов, где возникают наибольшие касательные напряжения (см. раздел 4.3, формулу (4.6)).

Рис. 3.4

б) а)

В результате сдвигов по наклонным плоскостям образец и получает остаточные деформации. Механизм образования их упрощенно показан на рис. 3.4, б. В действительности картина намного сложнее, т.к. деформирование происходит не в плоскости, а в объеме. В результате деформации площадь поперечного сечения образца начнет уменьшаться, причем пока   незначительно и ее можно считать равной первоначальной . При  уменьшение площади будет нарастать.

в)

б)

а)

3. При дальнейшем деформировании образца () сопротивление образца на участке DK возрастает до . На образце появляется местное сужение – шейка (рис. 3.5, а). Уменьшение наименьшей площади шейки () при дальнейшем деформировании приводит к разрушению образца при  в точке L. Следует отметить, что после достижения  деформация образца происходит на небольшой его длине  (рис. 3.5, а) и вследствие быстрого нарастания сужения шейки нагрузка разрыва < . На рис. 3.5, б показана зона разрыва: на разорванных частях возникают кратер и конус, образующие которых составляют с осью образца угол примерно 45º. Но известно, что на таких площадках возникают . Следовательно, вязкое разрушение носит сдвиговой характер.

 

Условная диаграмма растяжения (диаграмма условных напряжений). Следует особо отметить, что при испытании нескольких пропорциональных образцов из одного и того же материала получают серию диаграмм растяжения, каждая из которых характеризует свойства не материала, а каждого отдельного образца (рис. 3.3). Для того чтобы можно было сравнить результаты испытаний, диаграммы растяжения перестраивают в другой системе координат: напряжение – относительные удлинения, т.е. (), где – первоначальная площадь поперечного сечения образца,  – первоначальная (расчетная) длина образца соответственно. Такую диаграмму называют условной диаграммой растяжения (диаграммой условных напряжений). Условность ее заключается в том, что при растяжении площадь поперечного сечения образца постоянно уменьшается и особенно значительно в момент его разрыва (для пластичных материалов – до 50%). Таким же образом изменяются и удлинения. Поэтому говорить о истинности напряжений в этом случае нельзя.

На рис. 3.6, а представлена условная диаграмма растяжения () для пластичного материала – малоуглеродистой стали (по диаграмме растяжения 1, рис. 3.2).

На участке   деформации растут пропорционально напряжениям.

Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, называется пределом пропорциональности:

       .                                  (3.2)

Величина  зависит от той степени точности, с которой начальный участок  можно рассматривать как прямую. За  принимается напряжение, при котором  увеличивается на 50% по сравнению со значением в начале координат.

Рис. 3.6
Рис. 3.7	На рис. 3.7 показано его практическое определение. Из диаграммы следует, что модуль продольной упругости характеризуется выражением .       (3.3) Наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций, называется пределом упругости          .          (3.4)

Значение  определяют по появлению остаточных деформаций в пределах  = 0,001 ÷ 0,005%.

Для стали Ст. 3, например, 210 МПа, а 220 МПа. Т.е. разница между ними невелика и на практике не делают обычно различия между ними.

Необходимо отметить, что  и  трудно поддаются определению и резко изменяют свои значения в зависимости от условно принятых норм на угол наклона касательной к участку при определении  и на остаточную деформацию – при определении . Поэтому в справочники данные по  и   не включаются.

Следующей более определенной характеристикой является предел текучести – напряжение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки:

.                                 (3.5)

Для стали Ст3 = 230 МПа.

У большинства пластичных материалов площадка текучести на диаграмме отсутствует (рис. 3.2, кривые 2, 3). За предел текучести в таком случае принимается условно величина напряжения, при котором остаточная деформация = 0,2%; обозначают  (рис. 3.8). В справочниках индекс 0,2 опускают и обозначают при растяжении , а при сжатии – .

Рис. 3.8

Отношение максимальной силы, которую может выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения называется пределом прочности (временным сопротивлением):    .    (3.6) Существенно заметить, что  не является напряжением, при котором разрушается образец. Это условная

величина, которая из-за простоты ее определения прочно вошла в практику как основная сравнительная характеристика прочностных свойств материала. Для стали Ст. 3 = 380 МПа.

После разрыва, соединив разорванные части образца и измерив расстояние между рисками на нем, соответствующими первоначальной расчетной его длине , получают длину образца после разрыва .

Тогда относительное остаточное удлинение при разрушении (рис. 3.2):

.                         (3.7)

Относительное остаточное сужение при разрушении

                       ,                          (3.8)

где   – площадь поперечного сечения шейки в месте разрыва.

Эти два параметра являются характеристиками пластичности материала. Условно принимают: если после разрыва > 5%, то материал считают пластичным; если же < 5%, то – хрупким. Например, для пластичной стали Ст. 3  25 – 27%.

Чем больше , тем материал пластичнее. Например, для стали Ст. 2 величина = 55 – 65%, а для стали 40ХН –  = 10%.

Как уже отмечалось выше, наибольшее удлинение возникает в месте разрыва. Оно называется истинным удлинением при разрыве. Диаграмма растяжения, построенная с учетом уменьшения площади поперечного сечения образца, называется истинной диаграммой растяжения (см. кривую ). Построение этой диаграммы бывает необходимо при теоретическом анализе операций глубокой штамповки, т.е. при решении задач образования больших деформаций. Истинное напряжение в момент разрыва  (рис. 3.6). Методы определения  подробно описаны в учебниках. Здесь мы на этом не будем останавливаться.

Наклеп. На участке  происходит упрочнение материала, т.е. сопротивление деформированию возрастает (рис. 3.6, а). Если образец разгрузить в пределах этого участка, например, в точке , то разгрузка будет следовать закону Гука по линии , параллельной линии ОА. Образец получит пластическую (остаточную) деформацию  (участок ) и упругую деформацию  (участок ), исчезающую при разгрузке образца. При повторном нагружении образца диаграмма деформирования опять будет следовать закону Гука до точки  и будет получена диаграмма  (рис. 3.6, б). Новый предел текучести , а остачное удлинение после разрушения .

Явление повышения предела пропорциональности материала и уменьшения его остаточной деформации при разрыве (и повышение его хрупкости) называют наклепом.

Явление наклепа можно усилить, если наклепанный образец нагрузить повторно лишь через достаточно большое время. В этом случае повысятся не только , , но и . Такой прием называют естественным старением материала. Старение можно ускорить термической обработкой материала (искусственное старение).

Следует помнить, что наклеп, вызванный растяжением, понижает при последующей работе этого материала на сжатие значения ,  и     – эффект Баушингера.  

Явление наклепа как положительное часто используют в технике. Например, чтобы уменьшить провисание проводов, их предварительно вытягивают, создавая напряжения  в диапазоне . В случаях, когда наклеп нежелателен, т.к. он повышает хрупкость материала, его можно устранить отжигом детали в печи.

Разрыв образца из хрупкого материала (рис. 3.2, диаграмма 4) происходит при незначительных удлинениях без образования шейки (рис. 3.5, в). Хрупкое разрушение происходит по сечению, в котором возникают наибольшие нормальные напряжения, при этом остаточное удлинение при разрыве не превышает = 0,015%. Закон Гука уже при малых напряжениях не выполняется. Однако при

Рис. 3.9

практических расчетах в пределах рабочих напряжений криволинейную часть диаграммы заменяют хордой  и считают модуль упругости  постоянным, а материал – следующим закону Гука (рис. 3.9). При этом получают в качестве характеристики прочности предел текучести                      .          (3.9) Теоретический предел прочности, вычисленный на основе учета межатомного взаимодействия, составляет

, т.е. для стали 20 ГПа = 20·10⁹ Па. К теоретической прочности можно приблизиться двумя путями: а) создать материалы, свободные от внутренних дефектов кристаллических решеток – дислокаций, по которым и происходит разрушение. Получены уже нитевидные кристаллы длиной 3 ÷ 4 мм («усы») железа с пределом прочности  =15·10⁹ Па; б) создать в материале, как это ни парадоксально, возможно больше нарушений в кристаллической решетке путем сочетания пластической деформации (наклепа) с термообработкой или путем нейтронного облучения. При этом из кристаллической решетки выбиваются атомы, т.е. создаются вакансии, или атомы без места – внедренные атомы. Это приводит к затруднению сдвиговых деформаций, а в итоге к повышению предела прочности.

места – внедренные атомы. Это приводит к затруднению сдвиговых деформаций, а в итоге к повышению предела прочности.

 

Диаграммы сжатия

Образцы для испытания на сжатие. Испытания на сжатие проводятся на цилиндрических или призматических образцах при соотношении высоты и наименьшего поперечного размера . Образец из пластичного материала не разрушается, а принимает бочкообразную форму (рис. 3.10, а). Поэтому  для таких материалов не существует, следовательно, не существует и предел прочности .

 

в) а) б) Рис. 3.10

 

 

Условная диаграмма сжатия () представлена на рис. 3.11   (диаграмма 1). До тех пор, пока , справедлив закон Гука; при  начинается процесс текучести.

Рис. 3.11

Единственной характеристикой проч-ности для пластичных материалов при испытании на сжатие является предел текучести, равный, согласно формуле (3.5),

.                                   (3.10)

При этом для подавляющего большинства материалов , т.е. они одинаково работают на растяжение и сжатие.

Бочкообразность формы при сжатии обусловлена тем, что между опорными плоскостями машины и торцами образца существуют силы трения.

Образец из хрупкого материала разрушается, оставаясь практически цилиндрическим, по сечению, составляющему с его осью угол, близкий к 45º (рис. 3.10, б).

Условная диаграмма сжатия показана на рис. 3.11 (диаграмма 2). Характеристикой прочности для хрупкого материала является предел прочности, вычисляемый с учетом формулы (3.9):

           .                                (3.11)

Для устранения влияния сил трения на результаты испытания на сжатие используют образец Лихарева с коническими торцевыми сечениями. Такой образец и схема сил, действующих на него, показаны на рис. 3.10, в, где  – коэффициент трения между материалом образца и опорами, а .

В этом случае в образце будет реализовано одноосное (линейное) напряженное состояние (см. раздел 4.3) и его форма в процессе испытания останется цилиндрической.

Хрупкие материалы, как правило, на сжатие работают значительно лучше, чем на растяжение – у них = (3 ÷ 5)  .

Примечание: существуют материалы, которые лучше работают на растяжение, чем на сжатие, и для них > . Это древесина, древесно-слоистые пластинки, некоторые пластмассы.

В итоге следует отметить, что при испытании на растяжение и сжатие получают следующие величины, характеризующие механические свойства материалов, которые можно условно разбить на три группы:

а) характеристики упругости:  и ;

б) характеристики прочности: ;

в) характеристики пластичности: .

Некоторые материалы обладают различными свойствами в разных направлениях – анизотропные материалы. На рис. 3.12 показаны условные диаграммы растяжения для типично анизотропного материала – сосны. Сопротивление сосны вдоль волокон (диаграмма 1) значительно больше, чем поперек волокон (диаграмма 2). Так, вдоль волокон на сжатие  = 35 – 40 МПа, = 1,1·10⁴ МПа; поперек волокон = 5 МПа, = 5·10² МПа (Модуль Юнга).