Диаграммы деформирования. Характеристики материала

Наибольшую информацию о характеристиках статической прочности материала получают при испытании на растяжение простых образцов. Для испытаний применяют образцы цилиндрической (рис 4.1а) или плоской формы (рис 4.1б). Образцы имеют рабочую часть с начальной длиной l₀. В результате испытаний получают зависимость между напряжениями и деформациями при растяжении.

Рисунок 4.1

Обычно применяются образцы с начальной расчётной длиной l₀ = 5d₀ и l₀ = 5,65 ₀ («короткие образцы») или l₀ = 10d₀ и l₀ = 11,3 ₀ («длинные образцы»).

Испытания проводят на разрывных испытательных машинах. При испытании образцы нагружают нагрузкой, постепенно возрастающей от нуля до значения, при котором происходит разрушение образца. Скорость изменения длины рабочей части образца не должна превышать 0,003×l₀ в минуту. При этом производится, как правило, автоматическая запись диаграммы, которая показывает зависимость между силой P и удлинением Dl исследуемой зоны образца. Чтобы исключить влияние размеров образца и получить механические характеристики материал, эту диаграмму перестраивают в координатах s-e, где:

s=P/F₀ - нормальное напряжение;

e=Dl/l₀ - относительная деформация;

F₀ - начальная площадь поперечного сечения образца.

Характерные диаграммы растяжения для трех основных типов материалов приведены на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2

На диаграммах можно выделить точки, которым соответствуют напряжения, являющиеся механическими характеристиками материала.

Первый участок диаграммы обычно представляет собой прямую линию, т.е. отношение напряжения к деформации на этом участке является постоянным. Модуль упругости при растяжении Е –это коэффициент пропорциональности, связывающий напряжение и деформацию на начальном упругом участке диаграммы деформирования:

E=tga.

Величина Е определяется делением напряжения на относительную деформацию на прямолинейном участке и поэтому имеет размерность напряжения. Для материалов, у которых наблюдается на первом участке нелинейная зависимость между напряжениями и деформациями, применяется касательный модуль Е_t и секущий модуль Е_s. Касательный модуль–это тангенс угла наклона касательной к кривой деформирования материала при заданном напряжении. Секущий модуль есть тангенс угла наклона прямой, соединяющей точку, соответствующую заданному напряжению с началом координат диаграммы деформирования

Пределом пропорциональности материала s_пц называют наибольшее напряжение, до которого напряжения s пропорциональны деформациям e. Предел пропорциональности при растяжении s_пц определяется как напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и деформацией достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации s-e точке s_пц с осью напряжений увеличивается на 50% своего значения на линейном упругом участке.

После достижения предела пропорциональности деформации начинают расти быстрее, чем напряжения и диаграмма становится криволинейной. Пределом упругости материала s_у называют наибольшее напряжение, до которого материал образца не получит остаточных деформаций. Практически за предел упругости принимают то напряжение, при котором остаточная деформация равна заданной величине, например, 0,001%, или 0,003%, или 0,005% и соответственно пределы упругости обозначают s_0,001, s_0,003, s_0,005.

Пределом текучести материала s_т называют напряжение, при котором деформации растут без заметного увеличения нагрузки. В том случае, когда диаграмма деформирования имеет резкий перелом при напряжении ниже максимального растягивающего напряжения и при этом материал продолжает заметно удлиняться без увеличения напряжения (для малоуглеродистых сталей), то это напряжение и принимается за предел текучести материала s_т (рис 4.2а). Большинство же цветных металлов и большинство высокопрочных сталей не имеют такого явно выраженного напряжения. В инженерной практике за такую деформацию в этом случае принимается деформация 0,002 (0,2%) и соответствующее напряжение называется условным пределом текучести s_0,2. На практике это напряжение определяется по диаграмме деформирования: через точку диаграммы, соответствующей нулевому напряжению и деформации 0,002, проводят прямую параллельную упругой части диаграммы до пересечения с кривой деформирования, и напряжение в этой точке диаграммы принимается за условный предел текучести (рис. 4.2б). При достижении пластических деформаций полированная поверхность образца начинает тускнеть и появляется сетка линий наклоненных под 45º к оси образца - это линии Чернова - Людерса, которые свидетельствуют о происходящих сдвигах кристаллов.

Предел прочности при растяжении s_В –это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. Напряжение подсчитывается по первоначальному поперечному сечению образца. После достижения предела прочности появляется сужение (шейка) поперечного сечения образца (рис. 4.3а).

Рисунок 4.3

Площадь сечения шейки быстро уменьшается, и образец разрушается. В момент разрушения достигается напряжение разрушения материала s_р.

Относительное удлинение после разрыва, или остаточное удлинение d (рис.4.2а)- это отношение приращения расчётной длины образца после разрыва к её первоначальной величине:

, где

l₀, l_к – длина исследуемой зоны образца, соответственно, до нагружения и после разрушения.

Относительное удлинение определяется из испытаний на растяжение и является мерой пластичности материала. Хотя относительное удлинение широко используется как показатель пластичности материала, его величина может зависеть от условий испытаний, таких как толщина образца и длина рабочей части образца. Относительное удлинение, полученное при испытании коротких образцов, обозначается d₅, а длинных d₁₀.

Относительное сужение после разрыва, или остаточное сужение y - это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца:

, где

F₀, F_к -площадь поперечного сечения образца, соответственно, до нагружения и после разрушения в наименьшем сечении шейки.

Эта характеристика также является мерой пластичности материала. Остаточное сужение менее чувствительно к условиям испытаний, однако его трудно определять на тонких полуфабрикатах.

Ряд материалов, например, чугун, стекло, бетон, кирпич относятся к хрупким материалам. Хрупкие материалы обладают большим сопротивлением сдвигу, чем отрыву, поэтому разрушаются внезапно от отрыва частиц материала по плоскости поперечного сечения (рис. 4.3б). Явления текучести, упрочнения и образования шейки на образцах из таких материалов перед разрывом не наблюдается. На диаграмме растяжения таких материалов практически отсутствует площадка текучести. Кроме того, на диаграмме практически отсутствует прямолинейный участок, величины деформаций невелики, так что отклонение от линейного закона незначительно, поэтому в практических расчетах это отклонение не учитывают (рис. 4.2в).

Механические характеристики материалов при сжатии получают путем статических испытаний простых образцов. Испытания металлов проводят на коротких цилиндрических образцах, а дерева на кубических. Высота образца не должна превышать удвоенного размера поперечного сечения. Для простых материалов, имеющих при растяжении площадку текучести, диаграмма сжатия также имеет площадку текучести. С ростом сжимающей нагрузки образец вследствие трения на торцах приобретает бочкообразную форму (рис. 4.3в), площадь поперечного сечения увеличивается и нагрузка не только не падает, а даже возрастает. Пластический материал разрушить путем сжатия практически невозможно, образец расплющивается в тонкий лист, поэтому предел прочности при сжатии не выявляется. Характерная диаграмма сжатия для пластичных материалов имеет вид, приведенный на рисунке 4.4а. Для сравнения с диаграммой растяжения диаграмма сжатия построена в положительной области.

Рисунок 4.4

Значения пределов пропорциональности s_0,005 и пределов текучести s_0,2 и модуля упругости E при растяжении и сжатии для алюминиевых сплавов по абсолютной величине близки, поэтому при получении механических характеристик при сжатии часто ориентируются на механические характеристики, полученные при растяжении.

Диаграмма сжатия хрупких материалов подобна диаграмме растяжения хрупких материалов (рис. 4.4б). Разрушение образцов происходит, как правило, образованием трещин по площадкам, наклоненным под углом 45° к оси образца, т.е. по площадкам наибольших касательных напряжений (рис. 4.3г).

Механические характеристики наиболее часто встречающихся металлических конструкционных материалов приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1