Диаграмма растяжения образца чугуна
Диаграммы нагружения и разгружения образцов.
Закон повторного нагружения
        Диаграмма растяжения образца позволяет оценить поведение материала образца в упругой и упруго-пластической стадиях деформирования, определить механические характеристики материала.
        Для получения численно сопоставимых между собой механических характеристик материалов диаграммы растяжения образцов перестраивают в диаграммы растяжения материалов, т.е. в зависимость между напряжением   и деформацией  , которые определяют по формулам
     ,
где - сила, действующая на образец,
     
 - начальная площадь поперечного сечения и начальная длина расчетной части образца.
        Диаграмма растяжения материала, полученная при этих условиях (без учета изменения размеров расчетной части образца), называется условной диаграммой растяжения материала в отличие от действительной диаграммы растяжения, которую получают с учетом изменений размеров образца.
        Диаграмма растяжения материала зависит от его структуры, условий испытаний (температуры, скорости деформирования).
   
        Диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали при однократном нагружении до разрушения. Конечная точка диаграммы соответствует разрушению.
        На начальном участке диаграммы между силой   и удлинением   соблюдается прямая пропорциональная зависимость — образец подчиняется
закону Гука. В точке А диаграммы закон Гука нарушается: зависимость между силой и удлинением становится нелинейной. На диаграмме наблюдается горизонтальный участок (участок БВ), называемый площадкой текучести. В этой стадии испытания образец удлиняется (деформируется) практически при постоянной силе. Это явление называется текучестью, при этом образец деформируется равномерно и по всей длине рабочей части. В точке В площадка текучести заканчивается и начинается участок упрочнения. В конечной точке Д этого участка достигается максимальная сила, которую может выдержать образец.
        При нагружении до предела пропорциональности (точка Г диаграммы) и при дальнешем уменьшении нагрузки образец разгружается по линейному закону, который совпадает с законом первичного нагружения. В этом заключается «закон разгрузки». При нагружении образца в пределах действия закона Гука законы нагружения и последующего разгружения совпадают. При полной разгрузке образца его размеры и форма возвращаются к первоначальной кривой однократного нагружения.
        Напряженное состояние образца до точки Д — одноосное.
        Далее начинается участок разрушения или участок местной текучести. Он характеризуется местным утонением образца и появлянием шейки.
        На конечном участке ДЕ (после возникновения шейки) происходит локализация деформаций в шейке, в остальной части образца они практически не увеличиваются. Деформация в шейке неоднородная, имеет существенный градиент вдоль оси образца. Напряженное состояние на этом участке становится неоднородным, кроме того, оно изменяется качественно — становится трехосным.
Диаметр шейки уменьшается по мере деформирования образца, и образец разрывается по наименьшему сечению шейки.
        Если при испытании на растяжение нагружение приостановить, например, в точке Г диаграммы и осуществить разгружение образца, то окажется, что диаграмма разгружения и диаграмма предыдущего нагружения не совпадают. Линия разгружения в этом случае — прямая, параллельная начальному линейному участку диаграммы растяжения образца. Такой характер деформирования образца при его разгружении называется законом разгружения.
При повторном нагружении диаграмма до точки Г совпадает с линией разгружения, а затем будет совпадать с диаграммой растяжения образца при однократном нагружении.
Такой характер деформирования называется законом повторного нагружения и заключается в пропорциональной зависимости силы и удлинения, которая сохраняется до значения силы, достигнутой при первичном нагружении.
         При разгружении образца в пределах участка ОА законы нагружения, разгружения и повторного нагружения совпадают.
Источник
Рассмотрим диаграмму растяжения, которая показывает зависимость между растягивающей силой P, действующей на образец, и вызываемой ею деформацией Δl (рис. 1)
На диаграмме можно указать пять характерных точек:
Рис.1 Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали
Прямолинейный участок диаграммы ОА указывает на пропорциональность между нагрузкой Р и удлинением Δl. (Эта пропорциональность впервые была замечена в 1670 г. Робертом Гуком и получила в дальнейшем название закона Гука).
Величина силы Рпц (точка А), до которой остается справедливым закон Гука, зависит от размеров образца и физических свойств материала.
Если испытуемый образец нагрузить растягивающей силой, не превышающей величину ординаты точки B (силы Py ), а потом разгрузить, то при разгрузке деформации образца будут уменьшаться по тому же закону, по которому они увеличивались при нагружении. Следовательно, в этом случае в образце возникают только упругие деформации.
В случае, если растягивающее усилие выше Py, при разгрузке образца деформации полностью не исчезают и на диаграмме линия разгрузки будет представлять собой прямую B’О’, уже не совпадающую с линией нагружения, а параллельную ей. В этом случае деформация образца состоит из упругой ΔlупрB’ и
остаточной (пластической) ΔlостB’ деформации.
Таким образом, характерной особенностью точки B является то, что при превышении нагрузки Py образец испытывает остаточные деформации при
разгружении.
Выше точки В диаграмма растяжения значительно отходит от прямой (деформация начинает расти быстрее нагрузки, и диаграмма имеет криволинейный вид), а при нагрузке, соответствующей Рт (точка С), переходит в горизонтальный участок. В этой стадии испытания в материале образца по всему его объему распространяются пластические деформации. Образец получает значительное остаточное удлинение практически без увеличения нагрузки.
Свойство материала деформироваться при практически постоянной нагрузке называется текучестью. Участок диаграммы растяжения, параллельный оси абсцисс, называется площадкой текучести.
В процессе текучести на отшлифованной поверхности образца можно наблюдать появление линий (полос скольжения), наклоненных примерно под углом 45° к оси образца (рис. 2а). Эти линии являются следами взаимных сдвигов кристаллов, вызванных касательными напряжениями.
Рис.2 Образование линий сдвига (а) и местного сужения—шейки (б)
Линии сдвига называются линиями Чернова по имени знаменитого русского металлурга Д. К. Чернова (1839 — 1921), впервые обнаружившего их.
Удлинившись на некоторую величину при постоянном значении силы, т.е. претерпев состояние текучести, материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению (упрочняться), и диаграмма поднимается вверх, хотя гораздо более полого, чем раньше. В точке D усилие достигает максимального значения Pmax.
Наличие участка упрочнения (от конца площадки текучести до наивысшей точки диаграммы растяжения) объясняется микроструктурными изменениями материала: когда нагрузка на образец возрастает, микроскопические дефекты (линейные и точечные) группируются так, что развитие сдвигов кристаллов, вызванных касательными напряжениями, затрудняется, а потому сопротивление материала сдвигу начинает возрастать и приближаться к его сопротивлению отрыву.
При достижении усилия Pmax на образце появляется резкое местное сужение, так называемая шейка (рис. 2б), быстрое уменьшение площади сечения которой вызывает падение нагрузки, и в момент, соответствующий точке К диаграммы, происходит разрыв образца по наименьшему сечению шейки.
До точки D диаграммы, соответствующей Pmax, каждая единица длины
образца удлинилась примерно одинаково; точно так же во всех сечениях одинаково уменьшались поперечные размеры образца. С момента образования шейки вся деформация образца локализуется на малой длине (lш~ 2d0) в области
шейки, а остальная часть образца практически не деформируется.
Абсциссы диаграммы растягивания OE, OF и FE, характеризующие способность образца деформироваться до наступления разрушения, соответствуют полному абсолютному удлинению образца Δlполн, остаточному абсолютному удлинению Δlост и абсолютному упругому удлинению образца Δlупр.
Для определения упругой деформации в момент разрыва необходимо из точки K диаграммы провести прямую KF, параллельную прямолинейному участку OA, так как упругие деформации при разрыве также подчиняются закону Гука.
Хрупкие материалы, типичным представителем которых является чугун, дают диаграмму растяжения иного характера (рис. 3).
Рис.3 Диаграмма растяжения чугуна
Чугун разрушается внезапно при весьма малых деформациях, составляющих порядка (0,5-0,6)% от расчетной длины образца l0, и без образования
шейки. Диаграмма при этом не имеет явно выраженного прямолинейного участка (отклонение от закона Гука начинается очень рано), площадки текучести и зоны упрочнения.
При испытании на растяжение хрупких материалов определяют, как правило, только максимальную нагрузку Pmax.
Обычно при практических расчетах для хрупких материалов отклонение от закона Гука не учитывают, т. е. криволинейную диаграмму заменяют условной прямолинейной диаграммой.
Источник
Разрыв образцов из хрупких материалов происходит при весьма незначительном удлинении и без образования шейки. На рис.4.7,б приведена диаграмма растяжения серого чугуна, типичная для таких материалов. Диаграмма не имеет выраженного начального прямолинейного участка. Однако, определяя деформации в чугунных деталях, все же пользуются формулой, выражающей закон Гука. Значение модуля упругости Е находят как тангенс угла наклона прямой, проведенной через начальную точку диаграммы О и точку В, соответствующую напряжению, при котором определяют деформацию. Такой модуль называется секущим.
Для чугуна подсчитывается величина предела прочности:
Разрушение хрупкое
10) Растяжение и сжатие. Дать определение и привести примеры из инженерной практики. Вывод формулы нормальных напряжений в поперечных сечениях стержня. Гипотеза Бернули и принцип Сен-Венана. Формула напряжений при наличии ослаблений.
Осевым (центральным) растяжением или сжатием называют такой вид нагружения бруса, при котором внутренние силы в поперечном сечении приводятся только к продольной силе N
На растяжение работают тросы, линии высоковольтных передач, винты и болты. Сжатие возникает в колоннах, поддерживающих перекрытия, в фабричной трубе, в кирпичной кладке от собственного веса.
Вывод формул для напряжений в стержнях:
1. Статическая сторона задачи — запись интегральных уравнений равновесия;
2. Геометрическая сторона задачи — изучение деформаций на основе опыта и гипотез;
3. Синтез — совместное решение полученных уравнений;
4. Физическая сторона задачи определяется законом Гука.
Рассмотрим стержень, нагруженный силой F. Для произвольного сечения z статическая сторона задачи выражается равнением , где А площадь поперечного сечения бруса.
Рассмотрим модель стержня, на боковой поверхности которого нанесена ортогональная сетка из продольных и поперечных линий.
После нагружения можно заметить, что поперечные линии смещаются вдоль продольной оси, оставаясь прямолинейными и перпендикулярными ей.
Это подтверждает гипотезу плоских сечений Я. Бернулли: сечения бруса, плоские и перпендикулярные его продольной оси до деформации, остаются плоскими и перпендикулярнымими оси в процессе деформации.
Продольные линии (волокна) удлиняются на одну и ту же величину, и их относительное удлинение одинаково.
Геометрическая сторона задачи выражается уравнением
Физическая сторона задачи заключается в установлении зависимости деформаций от напряжений. При упругих деформациях эта зависимость линейна, и, как известно, называется законом Гука: .
E=const для однородных и изотропных материалов σ=const
Получаем
Окончательно
В поперечном сечении бруса при растяжении (сжатии) возникают равномерно распределенные нормальные напряжения, равные отношению продольной силы к площади сечения.
Формула справедлива лишь для сечений, достаточно удаленных от мест приложения нагрузки. При расчетах руководствуются принципом Сен-Венана, который можно изложить так: способ приложения внешних сил влияет на распределение напряжений только в области их приложения.
Поэтому нарушение равномерности распределения напряжений вблизи мест приложения нагрузки носит местный характер. При расчетах эта часть стержня исключается из рассмотрения, что позволяет пользоваться формулой.
Исследования показали, что равномерное распределение напряжений по площади сечения, которое дает формула, будет только в тех случаях, когда по длине стержня поперечные сечения постоянны. Резкие изменения поперечного сечения (отверстия, канавки) приводят к неравномерному распределению напряжений, вызывают концентрацию напряжений. При наличии ослабления в пластине (например, заклепочными отверстиями) следует вводить площадь нетто Anet = А — Аослаблен
На основе предположения об отсутствии концентрации напряжений по формуле вычисляется среднее напряжение в ослабленном сечении пластины:
22.Диаграмма сжатия древесины вдоль и поперек волокон. Характер деформирования и разрушения. Характеристики прочности.
Древесина, являющаяся анизотропным материалом, при сжатии, как и при растяжении, обладает различной прочностью в зависимости от направления сжимающей силы по отношению к направлению волокон. На рис.4.11 изображены диаграммы сжатия двух кубиков из древесины одной породы. Кривая 1 иллюстрирует сжатие кубика вдоль волокон, а кривая 2 — поперек. Видно, что при сжатии вдоль волокон древесина значительно прочнее, чем при сжатии поперек. При сжатии вдоль волокон образец разрушается вследствие сдвига одной части относительно другой, а при сжатии поперек волокон древесина склонна к прессованию и не всегда удается определить момент начала разрушения.
Для дерева вдоль волокон — величина предела прочности:
Для дерева поперек волокон — величина предела пропорциональности и наибольшее напряжение:
;
Сопротивление древесины вдоль волокон в 8-10 раз лучше чем поперек.
24. Понятие о ползучести материалов. Каким материалам присуще это явление, и при каких условиях. Примеры. Понятие о релаксации напряжений.
Ползучесть материалов и релаксация напряжений
Способность материалов деформироваться во времени при действии постоянных нагрузок называется ползучестью.
Явление ползучести присуще таким материалам, как бетон, кирпич, полимеры и т. п. Металлы также обнаруживают это свойство, которое становится особенно заметным при высокой температуре, а в цветных металлах (свинце, меди и т. п.) — даже при комнатной.
Фактор ползучести имеет существенное значение для работы конструкций. Например, напряжения в арматуре железобетонных изделий могут в процессе ползучести увеличиться в 2-2,5 раза, а перемещения в 3-4 раза. Известны случаи, когда стальные котельные трубы разрушались под действием внутреннего давления вследствие ползучести материала.
Явление медленного уменьшения напряжений в результате постепенного нарастания пластической деформации за счет упругой называется релаксацией напряжений.
Благодаря релаксации плотность соединения деталей, скрепленных при помощи упругого натяга, постепенно ослабевает, что вызывает нарушение нормальной работы. Ослабление плотности болтового соединения фланцев газопровода или цилиндра высокого давления паровой турбины может привести к утечке газа или пара, если периодически не возобновлять затяжку
Источник
Диаграмма растяжения показывает зависимость удлинения образца от продольной растягивающей силы.
Ее построение является промежуточным этапом в процессе определения механических характеристик материалов (в основном металлов).
Диаграмму растяжения материалов получают экспериментально, при испытаниях образцов на растяжение.
Для этого образцы стандартных размеров закрепляют в специальных испытательных машинах (например УММ-20 или МИ-40КУ) и растягивают до их полного разрушения (разрыва). При этом специальные приборы фиксируют зависимость абсолютного удлинения образца от прикладываемой к нему продольной растягивающей нагрузки и самописец вычерчивает кривую характерную для данного материала.
На рис. 1 показана диаграмма для малоуглеродистой стали. Она построена в системе координат F-Δl, где:
F — продольная растягивающая сила, [Н];
Δl — абсолютное удлинение рабочей части образца, [мм]
Рис. 1 Диаграмма растяжения стального образца
Как видно из рисунка, диаграмма имеет четыре характерных участка:
I — участок пропорциональности;
II — участок текучести;
III — участок самоупрочнения;
IV — участок разрушения.
Построение диаграммы
Рассмотрим подробнее процесс построения диаграммы.
В самом начале испытания на растяжение, растягивающая сила F, а следовательно, и деформация Δl стержня равны нулю, поэтому диаграмма начинается из точки пересечения соответствующих осей (точка О).
На участке I до точки A диаграмма вычерчивается в виде прямой линии. Это говорит о том, что на данном отрезке диаграммы, деформации стержня Δl растут пропорционально увеличивающейся нагрузке F.
После прохождения точки А диаграмма резко меняет свое направление и на участке II начинающемся в точке B линия какое-то время идет практически параллельно оси Δl, то есть деформации стержня увеличиваются при практически одном и том же значении нагрузки.
В этот момент в металле образца начинают происходить необратимые изменения. Перестраивается кристаллическая решетка металла. При этом наблюдается эффект его самоупрочнения.
После повышения прочности материала образца, диаграмма снова «идет вверх» (участок III) и в точке D растягивающее усилие достигает максимального значения. В этот момент в рабочей части испытуемого образца появляется локальное утоньшение (рис. 2), так называемая «шейка», вызванное нарушениями структуры материала (образованием пустот, микротрещин и т.д.).
Рис. 2 Стальной образец с «шейкой»
Вследствие утоньшения, и следовательно, уменьшения площади поперечного сечения образца, растягиваещее усилие необходимое для его растяжения уменьшается, и кривая диаграммы «идет вниз».
В точке E происходит разрыв образца. Разрывается образец конечно же в сечении, где была образована «шейка»
Работа затраченная на разрыв образца W равна площади фигуры образованной диаграммой. Ее приближенно можно вычислить по формуле:
W=0,8Fmax∙Δlmax
По диаграмме также можно определить величину упругих и остаточных деформаций в любой момент процесса испытания.
Для получения непосредственно механических характеристик металла образца диаграмму растяжения необходимо преобразовать в диаграмму напряжений.
Предел пропорциональности >
Примеры решения задач >
Лабораторные работы >
Источник