Понятие об истинной диаграмме растяжения

Рис. 2

Fк — конечная площадь поперечного сечения образца.

Истинные напряжения Si определяют как отношение нагрузки к площади поперечного сечения в данный момент времени.

При испытании на растяжение определяются и характеристики пластичности.

Пластичность — способность материала к пластической деформации, то есть способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности. Это свойство используют при обработке металлов давлением.

Характеристики:

· относительное удлинение:

lо и lк — начальная и конечная длина образца;

Δlост — абсолютное удлинение образца, определяется измерением образца после разрыва.

· относительное сужение:

Fо — начальная площадь поперечного сечения;

Fк — площадь поперечного сечения в шейке после разрыва.

Твердостью металла называется сопротивление, оказываемое металлом при вдавливании в него твердых предметов.

где А0, — первоначальная площадь поперечного сечения и длина расчетного участка образца до начала испытаний. Так как величины А0 и постоянны, то диаграмма имеет тот же вид, что и диаграмма и отличается от нее только масштабом.

Диаграмма характеризует свойства испытуемого материала и называется условной диаграммой растяжения, так как напряжения и относительные удлинения вычислены по отношению к первоначальной площади сечения А0 и первоначальной длине .

Диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали Ст3 (рис. 2.10) характеризуется четырьмя участками.

Рис. 2.10. Условная диаграмма растяжения

Предельные напряжения

Участок I соответствует упругим деформациям материала, подчиняющимся закону Гука: величина относительной деформации прямо пропорциональна напряжению. Отношение растягивающего усилия в точке А к первоначальной площади поперечного сечения называется пределом пропорциональности: .

Участок II начинается после точки А, когда диаграмма становится криволинейной. Однако до точки В деформации остаются упругими (восстанавливаются после снятия нагрузки). Отношение растягивающего усилия в точке В к площади А0 называется пределом упругости: — это такое напряжение, при котором величина остаточной деформации не превышает 0,005 %. При дальнейшем увеличении нагрузки появляются неупругие (остаточные) деформации. В точке С начинается процесс деформирования образца без увеличения внешней нагрузки. Это явление называется текучестью материала, а участок CD — площадкой текучести. Максимальное напряжение, при котором происходит рост деформации без увеличения силы, называется пределом текучести: . В зоне текучести у стальных образцов существенно меняется электропроводность и магнитные свойства. Поверхность полированного образца покрывается линиями (линии Чернова), наклоненными к его оси, и становится матовой.

Для ряда материалов (медь, алюминий), не имеющих на диаграмме выраженной площадки текучести, вводят понятие условного предела текучести , под которым подразумевают напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 %.

Участок III характеризуется увеличением нагрузки, при которой происходит дальнейшая деформация образца. Если образец нагрузить до состояния, соответствующего точке L диаграммы, а затем разгрузить, то процесс разгрузки на диаграмме будет обозначен прямой линией LL1, параллельной участку ОА. При разгрузке деформация полностью не исчезает: она уменьшается на величину L1М упругой части удлинения. Отрезок ОL1 представляет собой остаточную деформацию. Если образцу дать «отдохнуть» и подвергнуть повторному нагружению, то процесс пойдет по линии L1LKR. При этом предел пропорциональности значительно увеличится (точка L находится выше точки А), но при этом уменьшится пластичность. Это явление получило название наклепа.

Отношение наибольшей нагрузки к первоначальной площади поперечного сечения стержня называется пределом временного сопротивления: . Пределу прочности соответствует максимальное напряжение в образце до его разрушения.

Участок IV начинается в точке К и заканчивается разрушением образца в точке R. Этот участок носит название зоны разрушения. Деформация образца на этом участке характерна образованием «шейки» и образовавшимся удлинением за счет его утонения (рис. 2.9, в). Площадь сечения образца в шейке быстро уменьшается и, как следствие, падает усилие и условное напряжение. Разрыв образца происходит по наименьшему сечению шейки.

Степень пластичности материала может быть охарактеризована величинами остаточного относительного удлинения образца, доведенного при растяжении до разрыва, и остаточного относительного сужения шейки:

; . (2.17)

Диаграмма растяжения хрупких материалов (рис.2.10, б) характеризуется тем, что отклонение от закона Гука начинается при малых значениях деформирующей силы; диаграмма не имеет площадки текучести; образцы разрушаются при очень малой остаточной деформации. За характеристику прочности хрупких материалов принимают временное сопротивление при растяжении .

На диаграмме растяжения (рис. 2.10, а) прямолинейный участок ОА, соответствующий закону Гука (), наклонен под углом к оси абсцисс:

Твердостью называется свойство материала оказывать сопротивление проникновению (внедрению) в него другого, более твердого тела. Твердость является косвенной характеристикой материала в условиях контактного воздействия.

Для определения твердости металла существует несколько способов. Наиболее широкое применение получили способы определения твердости по Бринеллю (НВ) и Роквеллу (НR).

Твердость по Бринеллю определяют вдавливанием закаленного шарика в испытуемый материал. При испытании по Роквеллу в материал вдавливают алмазный наконечник. Величина НВ, характеризующая твердость (число твердости по Бринеллю), представляет отношение силы F, с которой вдавливается шарик, к поверхности лунки, оставшийся после вдавливания на испытуемом материале (рис. 2.12, а):

. (2.26)

Числом твердости можно пользоваться в производственных условиях для определения других механических характеристик. Так, например, для сталей , МПа.

При испытаниях материала на твердость по методу Роквелла в испытуемый образец вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120о (рис. 2.12, б) или стальной закаленный шарик диаметром 1,5875 мм. К наконечнику прикладывается предварительная нагрузка F0 =100 Н, а затем основная нагрузка F1. Общая нагрузка F при испытании алмазным конусом составляет 600 Н (шкала А) и 1500 Н (шкала С), а при испытании шариком F =1000 Н (шкала В).

вердость определяют вдавливанием в поверхность испытуемого металла стального шарика (метод Бринелля), алмазного конуса (метод Роквелла) или алмазной пирамиды (метод Виккерса). По методу Бринелля шарик из твердой стали вдавливается с заданной и точно известной силой в плоскую поверхность металлического образца. В результате на образце остается отпечаток в виде шарового сегмента. Число твердости (НВ) определяют делением нагрузки на площадь отпечатка. Перед числом твердости, полученным по методу Бринелля, ставится символ 1 В (например, НВ 240).

При измерении твердости алмазной пирамидой по Виккерсу наконечник в форме правильной четырехгранной пирамиды вдавливается в испытуемый образец (или изделие) под действием нагрузки, приложенной в интервале определенного времени. После удаления нагрузки производят

измерение диагонали отпечатка на поверхности образца. Число твердости (HV) определяют делением нагрузки на площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка. Перед числом твердости, полученным по методу Виккерса, ставится символ HV (например, HV300). Метод Виккерса позволяет измерять твердость всех материалов, начиная с самых мягких и кончая самыми твердыми. Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю имеют одинаковую размерность и для материалов с твердостью до НВ 450 практически совпадают.

При измерении твердости по Роквеллу наконечник в виде алмазного конуса или стального шарика вдавливается под определенной нагрузкой в испытуемый образец (или изделие). За единицу твердости по Роквеллу условно принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Перед числом твердости, полученным по методу Роквелла, ставится символ HRC (например, HRC 35-40).

Рис. 2.12. Определение твердости

Число твердости по Роквеллу (HRA, HRB или HRC) определяется по разности глубин h вдавливания после снятия основной нагрузки F1. За единицу твердости по Роквеллу принята условная единица, соответствующая глубине h0 = 0,002 мм.

Рекомендуемые страницы:

Читайте также:

Почти все механические характеристики, которыми оцениваются свойства материала (см. пункт «Механические характеристики»), определяют по отношению к начальным размерам об­разца: площади A0, длине l0. При этом не учитывают изменений размеров образца в процессе его деформиро­вания — уменьшения площади и увеличения длины. В этом заключается их условность. Если пере­строить ма­шинную диа­грамму F — Dl в координаты «напряжение σ — относи­тельная де­формация e» σ = f(e) (рис. 1.2), то послед­няя в некото­ром мас­штабе повто­рит машин­ную диа­грамму. Истин­ные S напря­жения начи­нают отли­чаться в бóльшую сторону от условных (технических) σ с первого момента нагружения, т. к. уменьшается площадь поперечного сечения образца. Истинная диа­грамма растяжения S = φ(e) — функция неубывающая. Существенные расхождения диаграмм истинных и условных напряжений становятся заметными с началом пластической деформации (см. рис. 1.2). Считают, что до достижения нагрузкой своего максимального значения Fmax (см. рис. 1.2, напряжение σв) образец деформируется равномерно (см. рис. 1.2, сечение m): истинное напряжение Sm постоянно во всех сечениях, диаметр dm < d0 и одинаков по всей расчетной длине образца.

На участке местного сужения в шейке (см. рис. 1.2, сечение n) минимальный диаметр образца значительно меньше начального dn << d0. Истинные напряжения распределяются не равномерно по длине, как на участке упрочнения, а становятся значительно больше условных Sn >> σn. В момент разрушения превышение Sк над σв может достигать 30…50 %.

Рис. 1.2. Изменение конфигурации образца на различных стадиях деформирования (а); распределение истинных напряжений по длине образца при равномерном «m» и сосредоточенном «n» деформировании (б); диаграммы истинных S = φ(e) и условных σ = f(e) напряжений (в)

В научных целях обычно используют истинную диаграмму, построенную в координатах S — ψ или S — e, где ψ — относительное сужение поперечного сечения (1.1); e — относительная логарифмическая деформация e = ln (ℓ/ℓ0). Истинная диаграмма более информативна, что имеет немалое значение для правильного понимания основных закономерностей сопротивления пластической деформации. Истинные напряжения точнее отражают поведение материала под нагрузкой, чем технические. Их используют в существующих и вновь создаваемых методиках расчёта при сложном напряжённом состоянии, действии циклических нагрузок и др.

Механические характеристики

Механические характеристики, оценивающие прочностные свойства материала, называются характеристиками прочности, оценивающие пластические свойства — характеристиками пластичности.

А. Характеристики прочности

К характеристикам прочности относятся:

— предел текучести физический;

— предел текучести условный;

— временное сопротивление (предел прочности);

— предел пропорциональности;

— предел упругости.

Предел текучести физический σт — напряжение, при котором образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки. Вычисляется физический предел текучести по формуле:

, (1.2)

где Fт — нагрузка, соответствующая площадке текучести (см. рис. 1.1); A0 — начальная площадь поперечного сечения образца.

Предел текучести условный σ0,2 — напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от расчётной длины образца.

Порядок определения:

1) рассчитать допуск на величину остаточного удлинения Dl0,2 = 0,002·ℓ0 — где ℓ0 — начальная расчётная длина образца (база тензометра);

2) в масштабе оси деформаций машинной диаграммы из начала координат отложить отрезок Dl0,2 (см. рис. 1.3, а);

3) параллельно участку упругой деформации провести прямую до пересечения с диаграммой растяжения;

4) измерить ординату F0,2 на диаграмме растяжения и вычислить нагрузку, соответствующую точке пересечения прямой с диаграммой;

5) рассчитать условный предел текучести

. (1.3)

Временное сопротивление (предел прочности)[6] σв — напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Fmax, предшествующей разрыву образца. Определяется делением усилия Fmax на первоначальную площадь поперечного сечения образца (см. рис. 1.1):

. (1.4)

Теперь обратим особое внимание на характеристики сопротивления малым пластическим деформациям. Предел упругости — это наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций. Предел пропорциональности — это наибольшее напряжение, превышение которого вызывает отклонение от закона Гука.

Рис. 1.3. Схемы к определению предела упругости и условного предела текучести (а), а также предела пропорциональности (б)

Анализ диаграмм растяжения, записанных с высокой точностью измерения деформаций и напряжений, показывает, что отступление от закона Гука (прямой σ = Е∙ε) для многих материалов наступает уже на ранних стадиях нагружения. Поэтому численные значения пределов пропорциональности и упругости зависят от условно принятой степени приближения, с которой начальный участок можно рассматривать как прямую. Стандартом принято пределом пропорциональности считать напряжение, при котором так называемый «мгновенный» модуль упругости Е = dσ/dε (модуль упругости в текущий момент испытания; он соответствует тангенсу угла наклона между касательной к диаграмме и осью ε) уменьшается от своего начального значения на 50 %. Обе характеристики — предел упругости и предел пропорциональности — близки по смыслу и, как установлено ещё Баушингером[7] в 1879-1886 гг., различие между ними настолько мало, что в технических задачах их можно считать практически совпадающими.

Предел упругости σ0,05 — напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % длины участка рабочей части образца, равного базе тензометра.

Методика определения такая же, как и для условного предела текучести, но допуск на остаточную деформацию в 4 раза меньше (см. рис. 1.3, а).

. (1.5)

Предел пропорциональности σпц — напряжение, при котором отклонение от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона между касательной к кривой «нагрузка — удлинение» в точке Fпц и осью нагрузок увеличивается на 50 % от своего значения на упругом (линейном) участке.

Порядок определения:

1) на произвольной высоте диаграммы в пределах упругого участка проводят прямую mn, параллельную оси абсцисс (см. рис. 1.3, б);

2) измеряют длину a отрезка mk между осью ординат и диаграммой растяжения; справа от диаграммы откладывают отрезок kn = a/2;

3) из начала координат в точку n проводят луч 0n и параллельно ему касательную RT к диаграмме растяжения (при этом tgαпц будет на 50 % превышать tgα);

4) ордината точки B касания с диаграммой определит искомую нагрузку Fпц. Предел пропорциональности вычисляют по формуле:

. (1.6)

Истинное сопротивление разрыву Sк — напряжение, вычисляемое путём деления разрушающего усилия Fк (см. рис. 1.1, ордината точки D) на действительную площадь сечения в шейке Aк:

. (1.7)

Площадь Aк вычисляется по диаметру dк (рис. 1.4).