Что такое удлинение при растяжении
    Äëÿ îòäåëüíî âçÿòîãî ýëåìåíòà êîíñòðóêöèè âçàèìîóðàâíîâåøåííûå àêòèâíàÿ ñèëà è ñèëà ðåàêöèè îïîðû ÿâëÿþòñÿ
âíåøíèìè ñèëàìè.
    Ðàññìîòðèì, êàêèì îáðàçîì êîíñòðóêöèÿ îêàçûâàåò ñîïðîòèâëåíèå âíåøíåé íàãðóçêå, çà ñ÷åò ÷åãî ïðîèñõîäèò èçìåíåíèå
ôîðìû è ðàçìåðîâ êîíñòðóêöèè — äåôîðìèðîâàíèå (îò ëàò. deformatio — èñêàæåíèå).
10.3.1. Ðàñòÿæåíèå
    Íå îáðàùàÿ âíèìàíèå íà òî, êàêèì îáðàçîì, ñ òî÷êè çðåíèÿ êîíñòðóêòèâíîãî ðåøåíèÿ, ïðèëîæåíû âíåøíèå ñèëû Ð,
ðàññìîòðèì ðàñòÿæåíèå ýëåìåíòà êîíñòðóêöèè, ñõåìà íàãðóæåíèÿ êîòîðîãî ïîêàçàíà íà ðèñ. 10.3,à.
|
Ðèñ. 10.3. Óïðîùåííàÿ ìîäåëü äåôîðìàöèè ïðè ðàñòÿæåíèè |
Íà ðèñ. 10.3 ïîêàçàíà òàêæå óïðîùåííàÿ ìîäåëü ìåæàòîìíûõ ñâÿçåé â òâåðäîì òåëå. Æåñòêèå è ïðî÷íûå ìåæàòîìíûå ñâÿçè, ñîåäèíÿþùèå àòîìû
íåäåôîðìèðîâàííîãî òåëà (ðèñ. 10.3,á), ïðè ðàñòÿæåíèè (ðèñ. 10.3,â) ñîçäàþò áîëüøèå
âíóòðåííèå ñèëû ïðîòèâîäåéñòâèÿ âíåøíåé íàãðóçêå, ñòðåìÿùèåñÿ ñîõðàíèòü òåëî êàê åäèíîå öåëîå.
    Ïîä äåéñòâèåì âíåøíèõ ñèë ÷àñòèöû (àòîìû) ìàòåðèàëà, èç êîòîðîãî ñäåëàíà êîíñòðóêöèÿ, áóäóò ïåðåìåùàòüñÿ, è
ïåðåìåùåíèå ÷àñòèö ïîä íàãðóçêîé áóäåò ïðîäîëæàòüñÿ, ïîêà ìåæäó âíåøíèìè è âíóòðåííèìè ñèëàìè íå óñòàíîâèòñÿ ðàâíîâåñèå.
    Òàêîå ñîñòîÿíèå íàçûâàåòñÿ äåôîðìèðîâàííûì
ñîñòîÿíèåì òåëà.
    Ìåðîé âîçäåéñòâèÿ âíåøíèõ ñèë íà àòîìû âåùåñòâà, êîòîðûå óäàëÿþòñÿ äðóã îò äðóãà (ïðè ðàñòÿæåíèè) èëè ñáëèæàþòñÿ
(ïðè ñæàòèè), ò. å. ìåðîé ïðîòèâîäåéñòâèÿ ìàòåðèàëà êîíñòðóêöèè âíåøíåìó ñèëîâîìó âîçäåéñòâèþ, ìåðîé âíóòðåííèõ ñèë â ìàòåðèàëå ÿâëÿåòñÿ
íàïðÿæåíèå. Íàïðÿæåíèåì íàçûâàåòñÿ âíóòðåííÿÿ ñèëà (âîçíèêàþùàÿ ïðè âîçäåéñòâèè âíåøíåé íàãðóçêè),
ïðèõîäÿùàÿñÿ íà åäèíèöó ïëîùàäè â îêðåñòíîñòè äàííîé òî÷êè ðàññìàòðèâàåìîãî ñå÷åíèÿ òåëà:
σ = Ð/F,
| ãäå    | σ |    - | íàïðÿæåíèå, Ïà (1Ïà=1Í/ì2); |
| P |    - | ñóììàðíàÿ ñèëà, Í; | |
| F |    - | ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ, ïåðïåíäèêóëÿðíîãî íàïðàâëåíèþ äåéñòâóþùåé ñèëû P,ì2. |
   Â èíæåíåðíîé ïðàêòèêå èíîãäà èçìåðÿþò íàïðÿæåíèÿ â äàÍ/ìì2 (1äàÍ= 10Í).
   Íàïðÿæåíèå, òàêèì îáðàçîì, ïîêàçûâàåò èíòåíñèâíîñòü ïðîòèâîäåéñòâèÿ âíóòðåííèõ ñèë âîçäåéñòâèþ âíåøíåé íàãðóçêè íà
ìåæàòîìíûå ñâÿçè ìàòåðèàëà êîíñòðóêöèè, èëè, ÷òî òî æå ñàìîå, èíòåíñèâíîñòü âîçäåéñòâèÿ âíåøíåé íàãðóçêè íà ìåæàòîìíûå ñâÿçè.
   Åñëè ðàññìîòðåòü äåôîðìèðîâàííîå ñîñòîÿíèå ñòåðæíÿ (áðóñà) (ðèñ. 10.4) ïðè ðàñòÿæåíèè âíåøíèìè ñèëàìè Ð
(ïîêàçàíû íà ðèñóíêå ÷åðíûìè ñòðåëêàìè), òî â ëþáîì ïðîèçâîëüíî âçÿòîì ïîïåðå÷íîì ñå÷åíèè (íàïðèìåð, ïëîñêîñòüþ À) ðàñïðåäåëåíèå
íîðìàëüíûõ íàïðÿæåíèé σ = Ð/F áóäåò ðàâíîìåðíûì.
|
Ðèñ. 10.4. Äåôîðìèðîâàííîå ñîñòîÿíèå áðóñà |
   Ðàâíîäåéñòâóþùàÿ ñèëà íàïðÿæåíèé σ — âíóòðåííÿÿ ñèëà
Ð = σF (íà ðèñ. 10.4 — áåëàÿ ñòðåëêà) — ïðîõîäèò ÷åðåç öåíòð òÿæåñòè ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ âäîëü ëèíèè äåéñòâèÿ
âíåøíåé ñèëû è ðàâíà åé.
   Ïîä äåéñòâèåì ðàñòÿãèâàþùèõ ñèë Ð äëèíà ñòåðæíÿ l óâåëè÷èâàåòñÿ íà âåëè÷èíó Δl,
íàçûâàåìóþ àáñîëþòíûì óäëèíåíèåì. Ðàñòÿæåíèå ñîïðîâîæäàåòñÿ òàêæå óìåíüøåíèåì ïîïåðå÷íûõ ðàçìåðîâ
ñå÷åíèÿ. Ýòî ÿâëåíèå íîñèò íàçâàíèå «ýôôåêò Ïóàññîíà» (ïî èìåíè ôðàíöóçñêîãî ó÷åíîãî è ìåõàíèêà
Ñ. Ïóàññîíà). Àáñîëþòíîå ïîïåðå÷íîå ñóæåíèå
ñòåðæíÿ ïðè ðàñòÿæåíèè Δb =
b — b1; Δc = c — c1.
   Èìåííî çà ñ÷åò èçìåíåíèÿ ôîðìû è ðàçìåðîâ ëþáàÿ êîíñòðóêöèÿ ñîïðîòèâëÿåòñÿ (ñîçäàåò ñèëû ïðîòèâîäåéñòâèÿ) âíåøíèì íàãðóçêàì.
   Â èíæåíåðíîé ïðàêòèêå äåôîðìèðîâàííîå ñîñòîÿíèå ïðèíÿòî îöåíèâàòü íå òîëüêî àáñîëþòíûìè âåëè÷èíàìè èçìåíåíèé ôîðìû
( «ïåðåìåùåíèÿìè»), íî è îòíîñèòåëüíûìè áåçðàçìåðíûìè âåëè÷èíàìè —
«äåôîðìàöèÿìè»:
ε = Δl/l; ε = Δb/b = Δc/c,
| ãäå    | ε |    - | îòíîñèòåëüíîå óäëèíåíèå ïðè ðàñòÿæåíèè; |
| ε’ |    - | îòíîñèòåëüíûå ïîïåðå÷íûå äåôîðìàöèè. |
   Ïðè äîñòàòî÷íî áîëüøèõ âíåøíèõ íàãðóçêàõ (è, êàê ñëåäñòâèå, áîëüøèõ âíóòðåííèõ íàïðÿæåíèÿõ) ìåæàòîìíûå ñâÿçè ìàòåðèàëà ìîãóò
áûòü ðàçîðâàíû, ÷òî ïðèâåäåò ê ðàçðóøåíèþ êîíñòðóêöèè.
   Êîíñòðóêöèÿ äîëæíà áûòü ñïðîåêòèðîâàíà òàê, ÷òîáû îíà íå ðàçðóøèëàñü ïîä íàãðóçêîé. Äåôîðìàöèè (ïåðåìåùåíèÿ), êîòîðûå
íåèçáåæíî âîçíèêàþò â êîíñòðóêöèè ïîä íàãðóçêîé, äîëæíû áûòü âïîëíå îïðåäåëåííûìè è äîñòàòî÷íî ìàëûìè, ïîñêîëüêó âûáðàííûå ðàçìåðû è ôîðìà
ýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèè îáåñïå÷èâàþò îïðåäåëåííîå êà÷åñòâî åå ôóíêöèîíèðîâàíèÿ.
   Òàê, èçìåíåíèå ïîä íàãðóçêîé ðàçìåðîâ è ôîðìû ýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèè ñàìîëåòà, îáòåêàåìûõ ïîòîêîì âîçäóõà, ñóùåñòâåííûì îáðàçîì
âëèÿåò íà àýðîäèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè è, êàê ñëåäñòâèå, — íà ëåòíî-òåõíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ñàìîëåòà.
   Õàðàêòåð ðàáîòû êîíñòðóêöèè ïîä íàãðóçêîé âî ìíîãîì îïðåäåëÿåòñÿ âûáîðîì êîíñòðóêöèîííûõ
ìàòåðèàëîâ. Îäíîé èç îñíîâíûõ õàðàêòåðèñòèê ìàòåðèàëà êîíñòðóêöèè ÿâëÿåòñÿ äèàãðàììà ðàñòÿæåíèÿ (êðèâàÿ äåôîðìèðîâàíèÿ) — âçàèìîçàâèñèìîñòü íàïðÿæåíèé è äåôîðìàöèé
óäëèíåíèÿ, ïîëó÷àåìàÿ â ðåçóëüòàòå èñïûòàíèé îáðàçöîâ ìàòåðèàëîâ íà ðàñòÿæåíèå. Íà ðèñ. 10.5 ïîêàçàí òèïè÷íûé õàðàêòåð äèàãðàìì ðàñòÿæåíèÿ äëÿ
íåêîòîðûõ êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ, ïðèìåíÿåìûõ â ñàìîëåòîñòðîåíèè.
|
Ðèñ. 10.5. Äèàãðàììà ðàñòÿæåíèÿ |
   Ïðÿìîëèíåéíûå íà íåêîòîðîì ïðîòÿæåíèè äèàãðàììû ó÷àñòêè (0-À, 0-ÀÂ) õàðàêòåðèçóþò òàêóþ ñòàäèþ äåôîðìèðîâàíèÿ îáðàçöà,
êîãäà ïðè óâåëè÷åíèè íàãðóçêè äåôîðìàöèè ïðîïîðöèîíàëüíû íàïðÿæåíèÿì è ïðè ñíÿòèè íàãðóçêè èñ÷åçàþò, ò. å. îáðàçåö çà ñ÷åò ìåæàòîìíûõ ñâÿçåé
(ñèë óïðóãîñòè) âîçâðàùàåòñÿ â èñõîäíîå (íåäåôîðìèðîâàííîå) ñîñòîÿíèå. Íà ýòîì ó÷àñòêå ìàòåðèàë «ïîä÷èíÿåòñÿ»
çàêîíó Ãóêà (ïî èìåíè àíãëèéñêîãî åñòåñòâîèñïûòàòåëÿ
Ð. Ãóêà):
σ = Åε,
| ãäå    | σ |    - | íàïðÿæåíèå, Ïà; |
| E |    - | ìîäóëü óïðóãîñòè ìàòåðèàëà, èëè ìîäóëü Þíãà (ïî èìåíè àíãëèéñêîãî ó÷åíîãî Ò.Þíãà), Ïà; | |
| ε |    - | îòíîñèòåëüíîå óäëèíåíèå. |
   Ìîäóëü óïðóãîñòè Å (íàêëîí êðèâîé äåôîðìèðîâàíèÿ â çîíå óïðóãîñòè
0-À (0-ÀÂ) äèàãðàììû: Å = tgα) ÿâëÿåòñÿ ìåðîé óïðóãîñòè («æåñòêîñòè») è õàðàêòåðèçóåò ïîäàòëèâîñòü (ñïîñîáíîñòü ê
äåôîðìèðîâàíèþ) ïîä íàãðóçêîé. Îòìåòèì, ÷òî ñòàëü — áîëåå æåñòêèé, ìåíåå ïîäàòëèâûé ìàòåðèàë, ÷åì àëþìèíèåâûé ñïëàâ.
   Òî÷êà À (ÀÂ) íà äèàãðàììàõ õàðàêòåðèçóåò íàèáîëüøóþ íàãðóçêó Ðïö è, ñîîòâåòñòâåííî,
íàïðÿæåíèÿ
ïðåäåëà ïðîïîðöèîíàëüíîñòè
σïö, ïðè êîòîðûõ åùå ñîáëþäàåòñÿ ëèíåéíàÿ
çàâèñèìîñòü σ — ε.
   Äàëüøå, çà òî÷êîé À (ÀÂ), ëèíåéíàÿ çàâèñèìîñòü σ — ε íàðóøàåòñÿ, ìàòåðèàë äåôîðìèðóåòñÿ («òå÷åò»)
ïîä íàãðóçêîé è ïðè ñíÿòèè íàãðóçêè íå âîçâðàùàåòñÿ ê èñõîäíîìó ñîñòîÿíèþ, â íåì âîçíèêàþò îñòàòî÷íûå ïëàñòè÷åñêèå
äåôîðìàöèè çà ñ÷åò òîãî, ÷òî ÷àñòü ìåæàòîìíûõ ñâÿçåé ðàçðóøàåòñÿ. Òî÷êà  íà äèàãðàììàõ õàðàêòåðèçóåò íàãðóçêó
Ðò è, ñîîòâåòñòâåííî,
íàïðÿæåíèÿ ïðåäåëà òåêó÷åñòè
σò, ïðè êîòîðûõ ìàòåðèàë «òå÷åò» áåç óâåëè÷åíèÿ íàãðóçêè. Íåêîòîðûå ìàòåðèàëû (íàïðèìåð, 4, ñì. ðèñ. 10.5)
èìåþò ÿâíî âûðàæåííóþ ïëîùàäêó òåêó÷åñòè À-Â, ãäå äåôîðìàöèè ñóùåñòâåííî óâåëè÷èâàþòñÿ áåç óâåëè÷åíèÿ
âíåøíåé íàãðóçêè. Äëÿ äðóãèõ ìàòåðèàëîâ (1, 2, 3) ïëîùàäêè òåêó÷åñòè îòñóòñòâóþò, â ýòîì ñëó÷àå òî÷êè À è  íà äèàãðàììå ïðàêòè÷åñêè
ñîâïàäàþò.
   Çîíà Â-Ñ äèàãðàììû íàçûâàåòñÿ çîíîé óïðî÷íåíèÿ. Çäåñü ïîñëå ñòàäèè òåêó÷åñòè
ìàòåðèàë ñíîâà ïðèîáðåòàåò ñïîñîáíîñòü óâåëè÷èâàòü ñîïðîòèâëåíèå äàëüíåéøåé äåôîðìàöèè, îäíàêî äëÿ óäëèíåíèÿ îáðàçöà â ýòîé çîíå òðåáóåòñÿ â
ñîòíè ðàç áîëåå ìåäëåííîå íàðàñòàíèå íàãðóçêè, ÷åì â çîíå óïðóãèõ äåôîðìàöèé.
|
Ðèñ. 10.6. Äèàãðàììà èñòèííûõ íàïðÿæåíèé |
   Òî÷êà Ñ äèàãðàììû õàðàêòåðèçóåò ìàêñèìàëüíóþ (ïðåäåëüíóþ) íàãðóçêó Ðmax è, ñîîòâåòñòâåííî,
íàïðÿæåíèÿ ïðåäåëà ïðî÷íîñòè èëè íàïðÿæåíèÿ âðåìåííîãî ñîïðîòèâëåíèÿ σâ, ïðè êîòîðûõ åùå ñîõðàíÿåòñÿ öåëîñòíîñòü
ýëåìåíòà êîíñòðóêöèè, íàãðóæåííîãî ðàñòÿæåíèåì.
   Äàëüøå, çà òî÷êîé Ñ äèàãðàììû, áåç óâåëè÷åíèÿ âíåøíåé íàãðóçêè èäåò ëàâèíîîáðàçíîå ðàçðóøåíèå ìåæàòîìíûõ ñâÿçåé
ìàòåðèàëà.
   Íàïðÿæåíèå σâ, òàêèì îáðàçîì, õàðàêòåðèçóåò ïðî÷íîñòü ìàòåðèàëà íà ðàçðûâ.
   Òî÷êà D äèàãðàììû õàðàêòåðèçóåò ðàçðóøåíèå (ðàçðûâ) îáðàçöà. Íèñõîäÿùàÿ âåòâü äèàãðàììû Ñ-D èìååò óñëîâíûé
õàðàêòåð, ïîñêîëüêó íàïðÿæåíèÿ ðàññ÷èòûâàþòñÿ äëÿ ïëîùàäè ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ èñõîäíîãî îáðàçöà. Ðåàëüíî íàïðÿæåíèÿ ðàñòóò, ÷òî ïîêàçûâàåò
äèàãðàììà èñòèííûõ íàïðÿæåíèé (ðèñ. 10.6 — ïóíêòèðíàÿ ëèíèÿ),
â êîòîðîé íàïðÿæåíèÿ ðàññ÷èòûâàþòñÿ äëÿ èñòèííîé ïëîùàäè ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ îáðàçöà.  èíòåðâàëå Î-À ðîñò íàïðÿæåíèÿ èäåò áåç
ðàçðóøåíèÿ ìåæàòîìíûõ ñâÿçåé, ïîñëå ñíÿòèÿ íàãðóçêè îáðàçåö âîçâðàùàåòñÿ ê èñõîäíîìó ñîñòîÿíèþ. Â èíòåðâàëå À-D ðîñò íàïðÿæåíèÿ
ïðîèñõîäèò çà ñ÷åò ðàçðóøåíèÿ ìåæàòîìíûõ ñâÿçåé è çíà÷èòåëüíîãî ìåñòíîãî óòîíåíèÿ îáðàçöà (îáðàçîâàíèÿ
øåéêè 1).  ìîìåíò ðàçðóøåíèÿ (òî÷êà D äèàãðàììû) ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ ïëàñòè÷åñêè
äåôîðìèðîâàííîãî îáðàçöà ìåíüøå èñõîäíîé.
   Ïðî÷íîñòü êîíñòðóêöèè, åñòåñòâåííî, çàâèñèò îò ïðî÷íîñòè ìàòåðèàëà, èç êîòîðîãî îíà èçãîòîâëåíà.
   Ïðî÷íîñòü
(íåñóùàÿ ñïîñîáíîñòü)
êîíñòðóêöèè — ýòî ñïîñîáíîñòü êîíñòðóêöèè â îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ âîñïðèíèìàòü (âûäåðæèâàòü) áåç
ðàçðóøåíèÿ âíåøíèå íàãðóçêè.
Íàãðóçêà, ïðè êîòîðîé ïðîèñõîäèò ðàçðóøåíèå êîíñòðóêöèè, íàçûâàåòñÿ
ðàçðóøàþùåé.
|
Ðèñ. 10.7. Òðàåêòîðèè íàïðÿæåíèé |
   Íåñóùàÿ ñïîñîáíîñòü âî ìíîãîì çàâèñèò îò ïëàñòè÷íîñòè ìàòåðèàëà. Ïëàñòè÷íîñòü
— ñïîñîáíîñòü ìàòåðèàëà ïîëó÷àòü áîëüøèå îñòàòî÷íûå äåôîðìàöèè, íå ðàçðóøàÿñü. Õðóïêîñòü
(ñâîéñòâî, ïðîòèâîïîëîæíîå ïëàñòè÷íîñòè) — ñïîñîáíîñòü ìàòåðèàëà ðàçðóøàòüñÿ áåç çàìåòíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè.
   Æåñòêîñòü — ñïîñîáíîñòü êîíñòðóêöèè ñîïðîòèâëÿòüñÿ äåéñòâèþ âíåøíèõ íàãðóçîê
ñ äîïóñòèìûìè â ýêñïëóàòàöèè äåôîðìàöèÿìè, íå íàðóøàþùèìè ðàáîòîñïîñîáíîñòü êîíñòðóêöèè.
   Íåñóùàÿ ñïîñîáíîñòü êîíñòðóêöèè ðåçêî ñíèæàåòñÿ èìåþùèìèñÿ â ìàòåðèàëå êîíñòðóêöèè ìèêðîòðåùèíàìè, âêðàïëåíèÿìè
èíîðîäíûõ ìàòåðèàëîâ, íàðóøàþùèìè ïîñòîÿíñòâî íàïðÿæåíèé.
   Êîíöåíòðàòîðû íàïðÿæåíèé
— ìåñòíûå ðåçêèå èçìåíåíèÿ îäíîðîäíîñòè (ôîðìû è, ñëåäîâàòåëüíî, æåñòêîñòè) êîíñòðóêöèè, ïðèâîäÿùèå ê ðåçêîìó ìåñòíîìó
(ëîêàëüíîìó) ïîâûøåíèþ íàïðÿæåíèé â êîíñòðóêöèè.
   Íà ðèñ. 10.7 ïîêàçàíî äåéñòâèå ðàñòÿãèâàþùåé âíåøíåé íàãðóçêè, ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåííîé ïî êðàÿì ïðîñòåéøèõ êîíñòðóêòèâíûõ
ýëåìåíòîâ — ëèñòîâ. Ïóíêòèðíûå ëèíèè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé òàê íàçûâàåìûå òðàåêòîðèè íàïðÿæåíèé, âäîëü êîòîðûõ íàïðÿæåíèå ïåðåäàåòñÿ îò
ìîëåêóëû ê ìîëåêóëå. Äëÿ ãëàäêîãî ëèñòà ýòè ëèíèè ïàðàëëåëüíû, íàïðÿæåíèÿ â ëþáîì ñå÷åíèè ëèñòà îäèíàêîâû.
|
Ðèñ. 10.8. ïåðåäà÷à íàãðóçêè â ñîåäèíåíèè |
   Ñèëû, ïåðåäàþùèåñÿ ïî òðàåêòîðèÿì íàïðÿæåíèé â ëèñòàõ ñ êîíöåíòðàòîðàìè (íàäðåç â êðîìêå ëèñòà, îòâåðñòèå â öåíòðå ëèñòà),
îáõîäÿò ðàçðûâ â ìàòåðèàëå. Ïëîòíîñòü òðàåêòîðèé íàïðÿæåíèé óâåëè÷èâàåòñÿ, è ëîêàëüíûå íàïðÿæåíèÿ σ ó êðàÿ êîíöåíòðàòîðà âîçðàñòàþò
(èíîãäà ìíîãîêðàòíî). Â ýòèõ ìåñòàõ ìîæåò ïðîèçîéòè íàðóøåíèå (ðàçðûâ) ìåæàòîìíûõ ñâÿçåé, âîçíèêíóò ìèêðîòðåùèíû, ðàñïðîñòðàíåíèå êîòîðûõ âåäåò
ê ðàçðóøåíèþ êîíñòðóêöèè.
   Ðàñïðåäåëåíèå íàïðÿæåíèé â çàêîíöîâêàõ (ìåñòàõ ñîåäèíåíèÿ äåòàëåé)
îáû÷íî îñîáåííî
ñëîæíî, â íèõ îáÿçàòåëüíî ïîÿâëÿþòñÿ êîíöåíòðàöèè íàïðÿæåíèé
— ìåñòíîå ïîâûøåíèå íàïðÿæåíèé.
   Â ìåñòå ñîåäèíåíèÿ (ðèñ. 10.8) ëèñòîâ 1 è 3 ñ ïîìîùüþ çàêëåïîê (èëè ñâàðíûõ òî÷åê) 2 ïåðåäà÷à
íàãðóçêè áóäåò
ïðîèñõîäèòü òîëüêî ÷åðåç òî÷êè êðåïëåíèÿ. Ëèñòû ðàâíîìåðíî âêëþ÷àòñÿ â ðàáîòó íà äîñòàòî÷íî áîëüøîì óäàëåíèè îò ìåñòà
ñîåäèíåíèÿ.
   Çàøòðèõîâàííàÿ îáëàñòü ëèñòîâ ïðàêòè÷åñêè âûêëþ÷åíà èç ðàáîòû è íå èñïûòûâàåò íàïðÿæåíèé.  òî æå âðåìÿ
íàïðÿæåíèÿ â ïîïåðå÷íûõ ñå÷åíèÿõ ëèñòîâ ðàñïðåäåëåíû íåðàâíîìåðíî, ïðè÷åì σÀ-À > σÁ-Á > σÂ-Â.
   Êîíñòðóêòîð îñîáîå âíèìàíèå äîëæåí óäåëÿòü âûáîðó ôîðìû äåòàëåé, ðàáîòàþùèõ íà ðàñòÿæåíèå, è îñîáåííî èõ
çàêîíöîâîê, ÷òîáû óìåíüøèòü âîçìîæíûå êîíöåíòðàöèè íàïðÿæåíèé.
Источник
Машина для испытаний на растяжение с электромеханическим приводом
Статическое растяжение — одно из наиболее распространённых видов испытаний для определения механических свойств материалов.
Основные характеристики, определяемые при испытании[править | править код]
При статическом растяжении, как правило, определяются следующие характеристики материала.
- Характеристики прочности:
- предел пропорциональности,
- предел текучести,
- предел прочности (временное сопротивление разрушению),
- истинное сопротивление разрыву.
- Характеристики пластичности:
- относительное остаточное удлинение,
- относительное остаточное сужение.
- Характеристики упругости:
- модуль упругости (модуль Юнга).
- Прочие характеристики:
- коэффициент механической анизотропии
- коэффициент (модуль) упрочнения
Основные типы материалов[править | править код]
Принято разделять пластичные и хрупкие материалы. Основное отличие состоит в том, что первые деформируются в процессе испытаний с образованием пластических деформаций, а вторые практически без них вплоть до своего разрушения. За критерий для условной классификации материалов можно принять относительное остаточное удлинение δ = (lк − l0)/l0, где l0 и lк — начальная и конечная длина рабочей части образца), обычно вычисляемое в процентах. В соответствии с величиной остаточного удлинения материалы можно разделить на:
- пластичные (δ ≥ 10 %);
- малопластичные (5 % < δ < 10 %);
- хрупкие (δ ≤ 5 %).
Существующие материалы могут быть изотропными или анизотропными. В последнем случае из-за различия характеристик в различных направлениях необходимо произвести не одно, а несколько испытаний.
Образцы для испытаний на статическое растяжение[править | править код]
Цилиндрический пятикратный образец
Цилиндрический пятикратный образец после разрушения
Для испытаний на статическое растяжение используют образцы как с круглым, так и с прямоугольным сечением. Предъявляются повышенные требования к изготовлению образцов, как с точки зрения геометрии, так и с точки зрения обработки резанием. Требуется высокая однородность диаметра образца по его длине, соосность и высокое качество поверхности (малая шероховатость, отсутствие царапин и надрезов). При изготовлении образцов следует избегать перегрева материала и изменений его микроструктуры.
Образцы круглого сечения, как правило, имеют рабочую длину, равную четырём или пяти диаметрам — т. н. короткие образцы или десяти диаметрам — т. н. нормальные образцы. Перед началом испытания замеряется диаметр образца (обычно 6, 10 или 20 мм) для вычисления напряжения σ и для расчёта относительного остаточного сужения после разрушения образца. В случае использования экстензометра, длина рабочей части образца не замеряется, а деформация ε и относительное удлинение при разрушении регистрируются автоматически с помощью компьютера или измеряются по диаграмме σ — ε. При отсутствии экстензометра (не рекомендуется стандартом), отмечается рабочая длина образца, деформация ε рассчитывается по перемещениям конца образца (захвата), а относительное удлинение при разрушении рассчитывается путём замера разрушенного образца.
Диаграмма растяжения пластичного материала[править | править код]
Рис. 1. Типичная диаграмма σ — ε для малоуглеродистой стали
1. Предел прочности (временное сопротивление разрушению)
2. Предел текучести (верхний)
3. Точка разрушения
4. Область деформационного упрочнения
5. Образование шейки на образце
Рис. 2. Типичная диаграмма σ — ε для алюминиевых сплавов
1. Предел прочности (временное сопротивление разрушению)
2. Условный предел текучести (σ0.2)
3. Предел пропорциональности
4. Точка разрушения
5. Деформация при условном пределе текучести (обычно, 0,2 %)
Микроструктура доэвтектоидной стали (0,7 % углерода)
Обычно диаграмма растяжения является зависимостью приложенной нагрузки P от абсолютного удлинения Δl. Современные машины для механических испытаний позволяют записывать диаграмму в величинах напряжения σ (σ = P/A0, где A0 — исходная площадь поперечного сечения) и линейной деформации ε (ε = Δl/l0 ). Такая диаграмма носит название диаграммы условных напряжений, так как при этом не учитывается изменение площади поперечного сечения образца в процессе испытания.
Начальный участок является линейным (т. н. участок упругой деформации). На нём действует закон Гука:
Затем начинается область пластической деформации. Эта деформация остаётся и после снятия приложенной нагрузки. Переход в пластическую область обнаруживается не только по проявлению остаточных деформаций, но и по уменьшению наклона кривой с увеличением степени деформации. Данный участок диаграммы обычно называют площадкой (зоной) общей текучести, так как пластические деформации образуются по всей рабочей длине образца. С целью изучения и точного анализа диаграммы деформации, современные испытательные машины оснащены компьютеризированной записью результатов.
По наклону начального участка диаграммы рассчитывается модуль Юнга. Для малоуглеродистой стали наблюдается т. н. «зуб текучести» и затем площадка предела текучести. Явление «зуба» текучести связано с дислокационным механизмом деформации. На начальном участке плотность дислокаций является недостаточной для обеспечения более высокой степени деформации. После достижения точки верхнего предела текучести начинается интенсивное образование новых дислокаций, что приводит к падению напряжения. Дальнейшая деформация при пределе текучести происходит без роста напряжения . Зависимость предела текучести, от размера зерна, d, выражена соотношением Холла-Петча:
После достижения конца площадки текучести (деформация порядка 2 — 2,5 %) начинается деформационное упрочнение (участок упрочнения), видимое на диаграмме, как рост напряжения с ростом деформации. В этой области до достижения максимальной нагрузки (напряжения (σВ) макродеформация остаётся равномерной по длине испытуемого образца. После достижения точки предела прочности начинает образовываться т. н. «шейка» — область сосредоточенной деформации. Расположение «шейки» зависит от однородности геометрических размеров образца и качества его поверхности. Как правило, «шейка» и, в конечном счёте, место разрушения расположено в наиболее слабом сечении. Кроме того, важное значение имеет одноосность напряжённого состояния (отсутствие перекосов образца в испытательной машине). Для пластичных материалов при испытании на статическое растяжение одноосное напряжённое состояние сохраняется лишь до образования т. н. «шейки» (до достижения максимальной нагрузки и начала сосредоточенной деформации).
Вид диаграммы деформации, приведённый на рис. 1 является типичным для О.Ц.К. материалов с низкой исходной плотностью дислокаций.
Для многих материалов, например, с Г. Ц. К. кристаллической решёткой, а также для материалов с высокой исходной плотностью дефектов, диаграмма имеет вид, показанный на рис. 2. Основное отличие — отсутствие явно выраженного предела текучести. В качестве предела текучести выбирается значение напряжения при остаточной деформации 0,2 % (σ0.2).
После достижения максимума нагрузки происходит падение нагрузки (и, соответственно, напряжения σ) за счёт локального уменьшения площади поперечного сечения образца. Соответствующий (последний) участок диаграммы называют зоной местной текучести, так как пластические деформации продолжают интенсивно развиваться только в области шейки.
Иногда используется диаграмма истинных напряжений, S — e (истинное напряжение S = P/A, где A — текущая площадь поперечного сечения образца; истинная деформация e = ln(l+Δl/l), где l — текущая длина образца). В этом случае, после достижения максимальной нагрузки не происходит падения напряжения, истинное напряжение растёт за счёт локального уменьшения сечения в «шейке» образца. Поэтому различие между диаграммами истинных и условных напряжений наблюдается только после предела прочности — до точки 1 они практически совпадают друг с другом.
Образцы из пластичного материала разрушаются по поперечному сечению с уменьшением диаметра в месте разрыва из-за образования «шейки».
Диаграмма растяжения хрупкого материала[править | править код]
Диаграмма растяжения и диаграмма условных напряжений хрупких материалов по виду напоминает диаграмму, показанную на рис. 2 за тем исключением, что не наблюдается снижения нагрузки (напряжения) вплоть до точки разрушения. Кроме того, данные материалы не получают таких больших удлинений как пластичные и по времени разрушаются гораздо быстрее. На диаграмме хрупких материалов уже на первом участке имеется ощутимое отклонение от прямолинейной зависимости между нагрузкой и удлинением (напряжением и деформацией), так что о соблюдении закона Гука можно говорить достаточно условно. Так как пластических деформаций хрупкий материал не получает, то в ходе испытания не определяют предела текучести. Не имеет особенного смысла также рассчитывать и относительное сужение образца, так как шейка не образуется и диаметр после разрыва практически не отличается от исходного.
Влияние скорости деформации и температуры на прочностные характеристики[править | править код]
Стандарты на проведение испытаний на статическое растяжение, как правило, ограничивают скорость деформации или скорость приложения нагрузки. Так, стандарт ASTM E-8 ограничивает скорость деформации величиной 0,03 — 0,07 мм/мин. Такое ограничение вызвано искажением результатов за счёт повышения прочности металлов с ростом скорости деформации (при постоянной температуре). При скоростях деформации до 1 сек скорость деформации практически не влияет на прочностные характеристики (в частности, на предел текучести) (источник???).
В общем виде можно выразить формулу влияния скорости деформации на предел текучести в виде:
где — скорость деформации; — астотный фактор, — активационный объём; — напряжение течения; — экстраполяция напряжения течения на нулевую скорость деформации.
Эта же зависимость даёт и зависимость напряжения течения от температуры. В области низких температур и при отсутствии фазовых превращений прочность кристаллических материалов повышается. Вклад в повышение прочности даёт и переход от термически активируемого процесса деформации за счёт движения дислокаций к механизму деформации путём двойникования.
Стандарты на проведение испытаний[править | править код]
- ГОСТ 6996-66
- ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение
- ГОСТ 11262-80 (СТ СЭВ 1199-78) Пластмассы. Метод испытания на растяжение
- ASTM E-8 и ASTM E-8M
Литература[править | править код]
- Я. Б. Фридман. Механические свойства металлов. 3-е изд. В 2-х ч. М.: Машиностроение, 1974
- М. Л. Бернштейн, В.А Займовский. Механические свойства металлов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1979.
- А. Н. Васютин, А. С. Ключ. Влияние температуры и скорости деформации на сопротивление деформированию малоуглеродистых и низколегированных сталей. Заводская лаборатория, 1985, № 4.
См. также[править | править код]
- Растяжение-сжатие
Источник