Диаграмма растяжения для пластичного металла

Графическое изображение зависимости между напряжениями (или нагрузками) и деформациями материала (или перемещениями при деформировании) представляет собой диаграмму деформирования.

Испытательные машины имеют специальные приспособления, которые автоматически фиксируют диаграмму растяжения. На диаграмме по оси ординат откладываются действующие осевые нагрузки, а по оси абсцисс — абсолютные деформации.

На рис. 2.2 даны типичные диаграммы растяжения различных металлов. Диаграмма с постепенным переходом из упругой в пластическую область (рис. 2.2, а) свойственна большинству металлов в пластичном состоянии (легированные стали, медь, бронза).

Рис. 2.2. Диаграммы растяжения:

а — для большинства металлов в пластичном состоянии с постепенным переходом из упругой в пластическую область; б — для некоторых металлов в пластичном состоянии со скачкообразным переходом в пластическую область; в — для хрупких металлов

Пластичные материалы разрушаются при больших остаточных деформациях (больших остаточных удлинениях, измеряемых после разрыва).

Диаграмма со скачкообразным переходом в пластическую область в виде четко обозначенной «площадки» текучести (рис. 2.2, б) свойственна некоторым металлам. К таким металлам можно отнести мягкую углеродистую сталь, а также некоторые отожженные марганцовистые и алюминиевые бронзы.

Хрупкие материалы разрушаются при малых остаточных деформациях. К хрупким материалам можно отнести закаленную и неотпущенную сталь, серый чугун.

Характерные участки и точки диаграммы растяжения показаны на рис. 2.3. По оси абсцисс откладывают абсолютные удлинения А/ образца, а по оси ординат — значения растягивающей силы Р. Сначала получим на первом участке диаграммы 0—1 прямолинейную зависимость между силой и удлинением, что отражает закон Гука. При дальнейшем увеличении силы (за точкой 1) прямолинейная зависимость между Р и А/ нарушается. Точка 1 соответствует пределу пропорциональности, т. е. наибольшему напряжению, при котором еще соблюдается закон Гука. Если нагрузку, соответствующую точке 1, обозначить ,Pnu, а начальную площадь сечения образца Fq, то предел пропорциональности

Рис. 2.3. Характерные участки и точки диаграммы растяжения

Несколько выше точки 1 находится точка Г, соответствующая пределу упругости. Если нагрузку, соответствующую точке Г, обозначить через Руп, то предел упругости

По ГОСТу предел упругости задается и обозначается ag os — напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % длины участка образца, равного базе тензометра.

За точкой Г возникают уже заметные остаточные деформации. В точке 2 диаграммы частицы материала начинают переходить и область пластичности — наступает явление текучести образца.

На диаграмме растяжения получается горизонтальный участок 2—3 (площадка текучести), параллельный оси абсцисс. Для участка 2—3 характерен рост деформации без заметного увеличения нагрузки. Обозначим величину нагрузки, соответствующей площадке текучести 2—3, через Рт. Напряжение ат, отвечающее этой нагрузке, это то напряжение, при котором рост деформации происходит без заметного увеличения нагрузки, оно и является физическим пределом текучести.

Предел текучести (физический) — это механическая характеристика материалов: напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести в диаграмме растяжения для материалов, имеющих эту площадку (см. рис. 2.3):

Предел текучести устанавливает границу между упругой и упруго-пластической зонами деформирования.

Даже небольшое увеличение напряжения (нагрузки) выше предела текучести вызывает значительные деформации.

Для материалов, не имеющих на диаграмме площадки текучести, принимают условный предел текучести: напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает определенного значения, установленного техническими условиями (большего, чем это установлено для предела упругости).

Обычно допуском для величины остаточной деформации при растяжении принято остаточное удлинение 0,2 %. Эта величина называется условным пределом текучести:

где Pq 2 — нагрузка при условном пределе текучести.

При увеличении напряжений сверх предела текучести при растяжении в результате сильной деформации происходит упрочнение металла (изменение его структуры и свойств) и сопротивление деформации увеличивается, поэтому за участком текучести, т. е. за точкой 3, наблюдается подъем кривой растяжения (участок упрочнения). До точки 4 удлинение образца происходит равномерно. Наибольшее значение нагрузки, предшествовавшее разрушению образца, обозначим Рмакс. Точка 4 характеризует максимальное условное напряжение, возникающее в процессе испытания, называемое временным сопротивлением.

Временное сопротивление ав — условное напряжение, определяемое по отношению действующей силы к исходной площади поперечного сечения образца и отвечающее наибольшей нагрузке ^макс’ предшествовавшей разрушению образца:

В момент, соответствующий нагрузке Рмакс, появляется заметное местное сужение образца (шейка). Если до этого момента образец имел цилиндрическую форму, то теперь растяжение образца сосредоточивается в области шейки.

Участку 4—5 соответствует быстрое уменьшение сечения шейки, вследствие чего растягивающая сила уменьшается, хотя напряжение растет (площадь сечения в шейке ^врFq).

При дальнейшей деформации шейка сужается и образец разрывается по наименьшему сечению FK, где напряжения в действительности достигают наибольшей величины. Таким образом, нарастание пластической деформации при растяжении происходит поэтапно: равномерная пластическая деформация до точки 4 и местная пластическая деформация от точки 4 до точки 5 — момента разрушения.

Моменту разрыва соответствует точка 5, усилие разрыва обозначим Рк. Отношение разрывающего усилия к действительной площади сечения в месте разрыва называется истинным сопротивлением разрыву:

У пластичных металлов в является характеристикой сопротивления пластической деформации, а у хрупких — характеристикой сопротивления разрушению.

Для пластичных материалов, образующих при растяжении шейку, характеристикой сопротивления разрушению служит истинное сопротивление разрыву (при разрушении).

При определении пределов пропорциональности, упругости, текучести и временного сопротивления соответствующая им нагрузка Р относилась к начальной площади поперечного сечения образца, т. е. площади образца до испытания. При растяжении образца в области упругой деформации или близко от нее, т. е. при определении пределов пропорциональности и упругости, можно пренебречь небольшим изменением площади сечения образца.

Однако в области пластической деформации изменение сечения образца становится значительным. Поэтому теоретически возможно для определения временного сопротивления и предела текучести относить соответствующую нагрузку не к исходной площади образца, а к его действительной площади, которую он имеет в момент приложения соответствующей нагрузки.

Напряжения, определенные по отношению приложенной нагрузки к начальной площади образца, называются условными напряжениями, а определенные по отношению к действительной площади — истинными.

На рис. 2.4 дана диаграмма истинных напряжений. В диаграмме по оси абсцисс откладывается относительное удлинение с = Д///0, а по оси ординат — нормальное напряжение а = P/Fq, где /0 и Fq — первоначальные длина и площадь сечения образца. Диаграмма в координатах «напряжения — деформации» на участке 4—5 является условной, как было указано выше. При напряжении, соответ-

Рис. 2.4. Диаграмма истинных напряжений ствующем временному сопротивлению (точка 4), образуется шейка и площадь сечения резко уменьшается, поэтому истинное напряжение увеличивается и истинная диаграмма 4—5′ расположена выше условной диаграммы 4—5.

Следует отметить, что временное сопротивление не совпадает с сопротивлением разрыву и оказывается меньше последнего. Истинное сопротивление разрыву получается делением наибольшей нагрузки Рпч (точка 4′) на истинную уменьшенную площадь сечения FBp в момент начала появления шейки.

Таким образом, истинные напряжения с увеличением деформации непрерывно растут до момента разрушения образца.

Показателем пластической деформации является его абсолютное остаточное удлинение А/0Ст.п ПРИ разрыве (отрезок ОЛ[ на рис. 2.3), так как упругая деформация (отрезок A^2) исчезает после разрыва:

где /0 — начальная длина образца, /к — конечная длина образца (рис. 2.5).

Общее удлинение образца при растяжении слагается из равномерного и сосредоточенного удлинения (за счет образования шейки). Так как размеры испытуемых образцов могут быть различными, то характеристикой пластичности образца служит не его абсолютное, а относительное остаточное удлинение при разрыве 6 — отношение приращения расчетной длины образца после разрыва
к первоначальной расчетной длине /0 в процентах:

Чем больше 5, тем пластичнее металл.

Рис. 2.5. Образцы до растяжения (а) и после растяжения (б)

Другой характеристикой пластичности металла является относительное сужение сечения ц/ после разрыва (в процентах) — отношение разности начальной площади и минимальной площади поперечного сечения образца разрыва к начальной площади поперечного сечения образца.

Если Fq — начальная площадь образца, FK — минимальная площадь сечения в месте образования шейки (в месте разрыва), то относительное сужение (в процентах)

При оценке свойств образцов пластических материалов большое значение имеет их сопротивление пластической деформации. Оно показывает, какое напряжение можно допустить, не вызывая (или вызывая допускаемую величину) пластической деформации, т. е. изменения металла под действием внешних сил.

Свойства, характеризующие сопротивление пластической деформации, можно разделить на две группы: сопротивление металла малым пластическим деформациям и сопротивление металла значительным пластическим деформациям.

Величиной, характеризующей сопротивление малым пластическим деформациям, является предел упругости. Свойства сопротивления металла значительным пластическим деформациям проявляются при напряжениях выше условного предела текучести. Для пластических металлов временное сопротивление определяет сопротивление их значительным пластическим деформациям. Временное сопротивление является основной характеристикой хрупких материалов, разрушающихся при малых пластических деформациях.

В табл. 2.1 приведены механические характеристики некоторых материалов.



Обратная связь

ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение

Как определить диапазон голоса — ваш вокал

Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать. Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими

Целительная привычка

Как самому избавиться от обидчивости

Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам

Тренинг уверенности в себе

Вкуснейший «Салат из свеклы с чесноком»

Натюрморт и его изобразительные возможности

Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д.

Как научиться брать на себя ответственность

Зачем нужны границы в отношениях с детьми?

Световозвращающие элементы на детской одежде

Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия

Как слышать голос Бога

Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ)

Глава 3. Завет мужчины с женщиной

Оси и плоскости тела человека — Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков — Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) — В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

На рис. 6. представлена диаграмма растяжения для малоуглеродистой стали.

Рис. 6. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

Зона упругости (начальный участок ОА): линейная зависимость между и , выполняется закон Гука . Значение численно равно тангенсу угла наклона линейного участка ОА к оси : . Если в точке К, находящейся на участке ОА, прекратить нагружение образца и начать его разгрузку, то процесс разгрузки пойдет по линии КО. После выполнения этого процесса деформация полностью исчезнет, и восстановятся первоначальные размеры образца.

Упругая деформация – деформация, полностью исчезающая после снятия внешней нагрузки.

– предел пропорциональности – наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука. Эта величина определяется степенью отклонения кривой от прямой , т. е. тангенсом угла ( ), который составляет касательная к диаграмме с осью .

– предел упругости – наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных (пластических) деформаций (см. рис. 6). Обычно остаточную деформацию, соответствующую пределу упругости, принимают в пределах , т. е. 0,001…0,005 %.

Зона общей текучести (площадка текучести) – участок АВ: возрастание удлинения образца практически без увеличения нагрузки (см. рис. 6).

Если в точке К, находящейся на участке АВ, прекратить нагружение образца и начать процесс разгрузки, то линия разгрузки имеет вид отрезка KL, параллельного начальному участку ОА (рис. 7). После разгрузки образца (в точке L) относительная деформация полностью не исчезает. Она уменьшается на величину упругой части деформации. Отрезок OL характеризует величину остаточной (пластической) деформации , а отрезок LM – величину упругой деформации , полностью исчезающей после разгрузки образца. Точка М получена опусканием перпендикуляра из точки К на ось .

Рис. 7. Нагружение до точки К, находящейся на площадке текучести АВ, и последующая разгрузка до точки L

Остаточная (пластическая) деформация – деформация, не исчезающая после снятия внешней нагрузки.

Таким образом, полная относительная продольная деформация образца складывается из двух частей:

где – упругая деформация, – остаточная (пластическая) деформация.

– предел текучести – напряжение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки.

Наличие площадки текучести для многих металлов не является характерным. В качестве примера на рис. 8 показан общий вид диаграмм растяжения высококачественной легированной стали (кривая 2) и алюминия (кривая 1).

Рис. 8. Примеры диаграмм растяжения без площадки текучести:

1 – алюминий; 2 – высококачественная легированная сталь

Если на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести, то определяют условный предел текучести – напряжение, при котором остаточная (пластическая) деформация , т. е. 0,2 % (рис. 9).

Рис. 9. Определение условного предела текучести

Зона упрочнения – участок ВС: удлинение образца сопровождается возрастанием нагрузки, но значительно более медленным, чем на упругом участке (см. рис. 6). Зависимость нелинейная.

Образование пластических деформаций связано со сдвигами в кристаллической решетке. Наглядное подтверждение этому дает наблюдение за поверхностью образца. В зонах общей текучести (если на диаграмме имеется площадка текучести) или упрочнения (если отсутствует площадка текучести), т. е. при возникновении заметных пластических деформаций, полированная поверхность образца становится матовой, поскольку покрывается системой тонких линий – полос скольжения (линий Чернова – Людерса) (рис. 10, а). Они имеют преимущественное направление под углом 450 к оси стержня и практически совпадают с плоскостями наибольших касательных напряжений.

Рис. 10. Возникновение пластических деформаций:

а – линии Чернова – Людерса; б – механизм удлинения

В пределах одного кристалла образование пластических деформаций происходит в результате смещения (сдвига) части кристалла по некоторой плоскости на целое число элементов кристаллической решетки.

Механизм удлинения показан на рис. 10, б упрощенно. Действительная картина более сложна, т. к. носит пространственный характер, и сдвиг происходит не только в одном семействе параллельных плоскостей, как это показано на рис. 10, б , а во всех семействах плоскостей, составляющих с осью стержня угол, близкий к .

Если в точке К, находящейся на участке ВС, прекратить нагружение образца и начать процесс разгрузки, то линия разгрузки имеет вид отрезка KL || ОА (рис. 11). После разгрузки образца (в точке L) относительная деформация полностью не исчезает. Она уменьшается на величину упругой части деформации. Отрезок OL характеризует величину остаточной (пластической) деформации , а отрезок LM – величину упругой деформации , полностью исчезающей после разгрузки образца. Точка М получена опусканием перпендикуляра из точки К на ось .

Рис. 11. Нагружение до точки К, находящейся в зоне упрочнения ВС, и последующая разгрузка до точки L

Предел прочности (временнóе сопротивление) – отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения. Точка С диаграммы соответствует (см. рис. 6).

При достижении в центре растягиваемого образца образуется шейка – местное уменьшение диаметра образца, т. е. намечается место будущего разрыва (рис. 12).

Рис. 12. Образование шейки на растягиваемом образце

Дальнейшее удлинение образца происходит только в зоне шейки, т. е. носит местный характер. Поэтому участок CD диаграммы называют зоной местной текучести. Точка D соответствует разрушению (разрыву) образца, – напряжение при разрушении (см. рис. 6).