Изучение механических свойств

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1.Цель работы: изучить механические свойства конструкционных материалов и методы оценки свойств.

Теоретическое обоснование

Механические свойства материалов зависят от вида напряженного состояния (создаваемого в образцах при испытании), условий и характера нагружения, скорости, температуры и состояния внешней среды. Целью механических испытаний материалов является определение именно тех или иных свойств или их совокупности, которые с наибольшей полнотой будут характеризовать надежность работы соответствующих изделий в заданных условиях службы. Совокупность таких механических свойств можно назвать конструктивной прочностью.

В качестве критериев оценки принимают разные сочетания механических свойств. Выделяют следующие группы критериев:

1. Оценки прочностных свойств материалов, определяемые часто и независимо от особенностей изготовляемых из них изделий и условий их службы. Обычно эти прочностные свойства определяют в условиях растяжения при статическом нагружении.

2. Оценки свойств материалов, непосредственно связанных с условиями службы изделий, и определяющие их долговечность и надежность.

3. Оценки прочности конструкции в целом, определяемые при стендовых и эксплуатационных испытаниях.

Первые две группы критериев оценки свойств определяются на образцах, тогда как последние - на готовых деталях и конструкциях.

К основным механическим свойствам материалов относятся:

1) прочность - способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузки;

2) пластичность - способность материала необратимо изменять форму и размеры без разрушения при действии нагрузки;

3) хрупкость - способность материала разрушаться без защитного поглощения энергии;

4) вязкость - способность материала до момента разрушения необратимо поглощать механическую энергию;

5) упругость - способность материала восстанавливать форму и размеры после снятия нагрузки;

6) твердость - способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела в поверхностном слое.

Диаграмма растяжения

Статические испытания - испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. Чаще всего применяют испытания на растяжение, которые позволяют по результатам одного опыта установить несколько важных механических характеристик материала, а именно: временное сопротивление (предел прочности); предел пропорциональности; предел текучести (физический или условный); относительное удлинение после разрыва; относительное сужение поперечного сечения после разрыва.

Построение диаграммы растяжения является основной задачей испытаний па растяжение. Для этих испытаний используются цилиндрические образцы из исследуемого материала определенного диаметра и длины. Полученные диаграммы являются зависимостью между нагрузкой, действующей на образец, и его удлинением. На рис. 2.1 представлена типичная для углеродистой стали диаграмма растяжения.

Зона ОА носит название зоны упругости (после снятия нагрузки Р_пц образец восстанавливает свои размеры и форму). Для нагрузки рпц (усилие предела пропорциональности) удлинение образца пропорционально усилию растяжения. На этом участке материал подчиняется закону Гука.

Рис. 2.1. Диаграмма растяжения образца

 

Удлинения Δl на участке ОА очень малы, и прямая ОА, будучи вычерченной в масштабе, совпадала бы в пределах ширины линии с осью ординат. Величина нагрузки, для которой остается справедливым закон Гука, зависит от размеров образца и физических свойств материала.

Модуль упругости Е характеризует жесткость материала (сопротивляемость материала упругой деформации, т.е. смещению атомов из положения равновесия в решетке). Модуль упругости практически не зависит от структуры материала, а определяется силами межатомной связи. Модуль упругости зависит от направления, т.е. является анизотропной величиной, а также зависит от температуры.

Предел пропорциональности представляет собой отношение усилия Р_пц к начальной площади поперечного сечения образца S₀:

(2.1.)

 

Зона АВ называется зоной общей текучести, а участок АВ диаграммы - площадкой текучести. Здесь происходит существенное изменение длины образца без заметного увеличения нагрузки.

Предел текучести (физический) - напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки. Физический предел текучести о, определяется по формуле

…………………………. …………(2.2.)

 

В большинстве случаев при испытании на растяжение и сжатие площадка АВ не обнаруживается (для алюминия и отожженной меди, для высококачественных легированных сталей). В этом случае за предел текучести принимается условно величина напряжения, при котором остаточная деформация составляет 0,2% (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема определения условного предела текучести

 

Условный предел текучести обозначается через σ_0.2. Предел текучести легко поддается определению и является одной из основных механических характеристик материала. Из точки на оси абсцисс, соответствующей остаточному удлинению 0,2% от начальной длины, проводим прямую, параллельную начальному участку диаграммы. Точка пересечения с диаграммой соответствует напряжению условного предела текучести.

Зона ВС (рис. 2.1) называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца сопровождается возрастанием нагрузки, но неизмеримо более медленным (в сотни раз), чем на упругом участке. В стадии упрочнения на образце намечается место будущего разрыва и начинает образовываться так называемая шейка - местное сужение образца (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Образование шейки при растяжении образца

 

По мере растяжения образца утонение шейки прогрессирует. Когда относительное уменьшение площади сечения сравняется с относительным возрастанием напряжения, сила Р достигнет максимума (точка С, рис. 2.1). В дальнейшем удлинение образца происходит с уменьшением силы, хотя среднее напряжение в поперечном сечении шейки и возрастаем. Удлинение образца носит в этом случае местный характер, и поэтому участок кривой CD называется зоной местной текучести. Точка D соответствует разрушению образца. У многих материалов разрушение происходит без заметного образования шейки.

Предел прочности, или временное сопротивление σ_в - отношение максимальной силы Рmax (рис. 2.1), которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения:

………………………….(2.3.)

 

Разрушение является заключительной стадией деформирования (нагружения) образца и представляет собой процесс разделения его на части под действием нагрузки. На атомном уровне разрушение - разрыв межатомных связей с образованием новых поверхностей. Различают два основных вида разрушения: вязкое и хрупкое.

Хрупкое разрушение происходит путем отрыва, когда плоскость разрушения перпендикулярна напряжениям, в данном случае пластическая деформация отсутствует. Скорость распространения хрупкой трещины с острым углом раскрытия велика. Хрупкое разрушение является самопроизвольным процессом, не требует подвода энергии извне, его называют «катастрофическим».

Вязкое разрушение происходит путем сдвига под действием касательных напряжений. При вязком разрушении материал претерпевает упругую и пластическую деформацию. Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью развития трещины и требует постоянного подвода энергии извне. Большинству реальных материалов одновременно присущи и вязкое и хрупкое разрушение, но говорят обычно о преобладающем.

По внешнему виду излома можно определить вид разрушения материала. Если излом имеет блестящую поверхность и «ручьистый» узор пол микроскопом, то механизм разрушении - хрупкий.

Если излом матовый, волоките сын по структуре без металлического блеска и имеет чашечное строение, то разрушение вязкое.

При испытании на растяжение определяются характеристики пластичности материала — относительное удлинение при разрыве δ и относительное сужение при разрыве ψ

Относительное удлинение при разрыве представляет собой величину средней остаточной деформации, которая образуется к моменту разрыва на определенной стандартной длине образца:

……………………….………(2.4)

Относительное сужение поперечного сечения ψ, %, вычисляется по формуле

…………………..……….(2.5)

Все сказанное выше о свойствах материалов относилось к испытаниям в так называемых нормальных условиях, но диапазон температур, в пределах которого реально работают конструкционные материалы, выходит далеко за рамки указанных нормальных условий. В широких пределах изменяются температуры, скорости нагружения и время действия внешних сил. Существуют нагрузки, весьма медленно меняющиеся и быстро меняющиеся. Есть нагрузки, действующие годами, а есть такие, время действия которых исчисляется миллионными долями секунды. Понятно, что в зависимости от указанных обстоятельств, механические свойства материалов будут проявляться по-разному.

По-разному ведут себя пластичные и хрупкие материалы при испытании на сжатие. Для малоуглеродистой стали диаграмма сжатия образца имеет вид кривой, показанной на рис. 2.4, а. 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 (рис. 2.4, 6). Довести образец пластического материала до разрушения практически не удается. Испытуемый ци­линдр сжимается в тонкий диск, и дальнейшее испытание ограничивается возможностями машины. Поэтому предел прочности при сжатии для такого рода материалов не может быть найден.

 

Рис. 2.4. Диаграмма сжатия пластичного материала (а)

и схема его нагружения (б)

 

Иначе ведут себя при испытании на сжатие хрупкие материалы.

Разрушение образца происходит с образованием трещин по наклонным или продольным плоскостям (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Разрушение хрупких материалов при сжатии

 

Существуют материалы, способные воспринимать при растяжении большие нагрузки, чем при сжатии. Это обычно материалы, имеющие волокнистую структуру - дерево и некоторые типы пластмасс. Этим свойством обладают и некоторые металлы, например магний. Деление материалов на пластичные и хрупкие является условным. В зависимости от условий испытания многие хрупкие материалы способны вести себя как пластичные, а пластичные как хрупкие.

Одной из основных технологических операций, позволяющих изменять в нужном направлении механические свойства материала, является термообработка. Известно, например, что закалка резко повышает прочностные характеристики стали и одновременно снижает ее пластические свойства.