Диаграммы растяжения стали при наклепе
При изготовлении различных изделий металл подвергается пластической деформации. На разных стадиях технологического процесса в металле заготовок и изделий могут оставаться необратимые пластические деформации различного уровня, которые оказывают влияние на механические свойства. Эти деформации вызывают упрочнение металла, повышая его твердость и прочность. В связи с этим упрочнение металла в результате пластической деформации называется наклепом (или пагартовкой).
Однако наклей приводит не только к увеличению прочности металла, что является положительным эффектом, но и к снижению пластичности и вязкости.
Наклеп можно проводить различными видами нагружения и деформирования: растяжением, сжатием, изгибом и др., а также различными технологическими операциями: прокаткой, ковкой, штамповкой, прессованием, волочением и др.
Рассмотрим процесс наклепа металла на примере диаграммы одноосного растяжения в координатах «истинное напряжение S — истинная деформация е» (рис. 4.9, а) и диаграммы в координатах «предел текучести 5*0,2 — плотность дислокаций р» (рис. 4.9, б).
Па диаграмме растяжения «S — е» в точке а при переходе упругой деформации в упругопластическую отмечен предел текучести 5*02, соответствующий остаточной деформации с02. Если разгрузить образец от Sо,2 до S = 0 (линия а—а()у а затем снова нагрузить до перехода в упругопластическую деформацию, то новый предел
Рис. 4.9. Схемы диаграмм «S — е» (а) и «5^,2 — р» (б)
текучести 5о.2 будет достигнут в точке b, также соответствующей остаточной деформации е0,2- Однако новый предел текучести 5q2 будет выше 5о,2- При последующих разгрузках и нагружениях будет происходить постепенное увеличение предела текучести, при- чем 5*о,2Sq 22.
Вместе с тем можно увидеть, что после каждых новых разгрузок и нагружений не только повышается предел текучести, но и укорачивается диаграмма растяжения по оси деформаций в. При предельном k-м нагружении диаграмма растяжения превратится в прямую наклонную линию и образец разрушится при напряжении 5*0,2» равном истинному сопротивлению разрыву 5*. В этом предельном случае металл образца исчерпывает свой запас пластичности и упрочняемости, а разрушение происходит практически в области упругой деформации.
Аналогичный вывод о процессе и последствиях наклепа можно сделать при рассмотрении диаграммы «5*0(2 — р» (см. рис. 4.9, б). При первом нагружении образца его предел текучести 5*о,2 соответствует плотности дислокаций ра. После первой разгрузки и второго нагружения происходит увеличение плотности дислокаций до р/, и повышение предела текучести до 5q2. Затем при последующих разгрузках и нагружениях также происходит постепенное повышение плотности дислокаций (ряр{)с (5о,2 ^0.2 ••• ^0,2). В точке k плотность дислокаций достигает предельного значения р/0 при котором становится невозможным их перемещение, а следовательно, и невозможна пластическая деформация. При этом металл разрушается хрупко практически без заметных следов пластической деформации.
При наклепе повышается не только предел текучести, но и временное сопротивление. Однако при этом снижается равномерное (вр) и конечное (вк) удлинения.
На рис. 4.9 был продемонстрирован процесс наклепа металла на одном образце, нагружаемом одноосным растяжением. Однако если предварительно наклепать растяжением заготовки, например цилиндрические прутки, до различной степени пластической деформации, а затем вырезать из них одинаковые разрывные образцы, то диаграммы растяжения этих образцов будут иметь вид, представленный на рис. 4.10. Из этого рисунка следует, что с увеличением степени наклепа происходит увеличение предела текучести и временного сопротивления с одновременным снижением равномерного и конечного удлинений. Вместе с тем истинное сопротивление разрыву почти не изменяется. Это объясняется тем, что для данного металла независимо от степени предварительного наклепа исчерпание упрочняемости достигается при одном предельном значении плотности дислокаций.
Рис. 4.10. Истинные диаграммы растяжения «5 — 8» для образцов из стали 45 (содержание углерода 0,45%) с различной степенью наклепа:
1 — 0%; 2 — 5%; 3 — 10%; 4 — 20%
Наклеп является одним из важных технологических процессов, позволяющих получить необходимые механические свойства металлов. Наклеп металла может быть сквозным (по всему сечению изделия) или, чаще всего, поверхностным (создаваемым на поверхности изделия). Поверхностный наклеп повышает твердость поверхностного слоя и гем самым увеличивает его сопротивление износу. Кроме того, при таком наклепе на поверхности изделия создаются полезные сжимающие напряжения, которые повышают сопротивляемость детали усталости. Сплошной наклеп по всему сечению детали также может повышать усталостную прочность, но в меньшей степени, чем поверхностный, главным образом за счет увеличения предела упругости.
Однако наклеп может принести и вред. Металл с наклепом теряет часть запаса пластичности и тем в большей мерс, чем выше степень наклепа. Как уже отмечалось выше, увеличение прочности и снижение пластичности при наклепе можно объяснить увеличением плотности дислокаций. Чем выше степень наклепа, тем больше плотность дислокаций. Увеличение плотности дислокаций происходит за счет источников Франка — Рида, вытягивания зерен металла, что приводит к увеличению границ зерен, где сосредоточивается больше дислокаций, чем внутри зерен. При больших значениях деформаций, создаваемых при наклепе, в иоликристалли- ческом металле вытянутые по направлению течения металла зерна образуют волокна. Кристаллическая структура в этих зернах характеризуется не только искажением кристаллической решетки, но и определенной ориентацией зерен, называемой текстурой (см. параграф 4.1). При больших степенях наклепа образуются поры внутри и между зерен металла, что приводит к некоторому снижению плотности. Это явление называется деструкцией.
В процессе обработки металла необходимо контролировать значение наклепа в целях получения оптимальных свойств и по прочности, и по пластичности. И если наклеп достиг больших ненриемлемых значений, то его можно снизить и даже устранить путем соответствующего нагрева за счет рекристаллизационных процессов в металле, которые будут рассмотрены ниже.
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
Испытание на растяжение
Испытание на растяжение производится на образцах двух типов:
цилиндрических и плоских.
Цилиндрические образцы могут быть нормальные (с расчетной
длиной lрасч=10d) и
укороченные (с lрасч=5d).
Для плоских образцов при вычислении расчетной длины образца используется
диаметр круга, равновеликого поперечному сечению рабочей части образца.
В процессе растяжения, реализуемого на специальных
испытательных машинах, автоматически записывается диаграмма испытания в
координатах сила – удлинение (рабочая, или индикаторная диаграмма). Для
малоуглеродистой стали эта диаграмма выглядит следующим образом:
Рассмотрим основные участки диаграммы.
OB – участок упругости.
После нагружения в пределах этого участка образец
возвращается в исходное состояние. Такая деформация, полностью исчезающая после
разгрузки, называется упругой. Механизм упругой деформации – изменение
расстояния между атомами.
BC – участок общей текучести (площадка текучести).
На этом участке на поверхности образца появляется сетка линий,
направленных под углом приблизительно 45° к оси растяжения – линии
Чернова-Людерса. Эти линии свидетельствуют о появлении нового механизма
деформации, заключающегося в сдвиге атомных слоев друг относительно друга.
Из-за этих сдвигов после разгрузки образец не возвращается в исходное
состояние, приобретая остаточную, или пластическую, деформацию. Пластическая
деформация сопровождается нагревом образца, изменением его электропроводности и
магнитных свойств, а также акустическим излучением.
CD – участок упрочнения.
Пластическая деформация изменяет внутреннюю структуру
материала, в результате чего образец снова проявляет сопротивление
деформированию, и растягивающая сила повышается.
DK – участок местной текучести.
Точка D диаграммы соответствует появлению на образце
локального сужения – шейки. Дальнейшая деформация локализуется в этой области,
и за счет уменьшения площади поперечного сечения необходимая для растяжения
сила снижается. Точка K соответствует разделению образца на части. Разрыв
происходит в самом тонком месте шейки.
Чтобы исключить влияние геометрических размеров образца,
рабочая диаграмма перестраивается в условную (в координатах напряжение –
деформация:
Полученная диаграмма называется условной потому, что при
вычислении напряжения и деформации сила и удлинение относятся не к
действительным, а к начальным значениям соответственно площади поперечного
сечения и длины образца.
На условной диаграмме выделяют следующие характерные точки:
sпц
– предел пропорциональности: максимальное напряжение, до которого справедлив
закон Гука (т.е. наблюдается прямая пропорциональная зависимость между
напряжением и деформацией);
sу
– предел упругости: максимальное напряжение, до которого в материале не
возникает пластических деформаций;
sт
– предел текучести: напряжение, при котором наблюдается рост деформации при
постоянном напряжении;
sв
– предел прочности (или временное сопротивление разрыву): максимальное
напряжение, которое может выдержать образец без разрушения.
В момент разрыва истинное напряжение, отнесенное к
действительной площади сечения, существенно выше предела прочности.
За пределами участка упругости в любой точке диаграммы
полная деформация εполн состоит из упругой εупр
и пластической εпл составляющих:
Если прекратить нагружение в точке G и снять нагрузку, то
разгрузка произойдет по закону Гука, т.е. по линии, параллельной участку
упругости (отрезок GO1). Таким образом, отрезок OO1
определяет величину остаточной деформации образца, а отрезок O1O2 – величину
упругой деформации на момент разрыва.
Механические характеристики материалов
Механические характеристики материалов, определяемые при
растяжении, можно разделить на три группы.
1. Характеристики упругих свойств.
Модуль упругости первого рода (модуль Юнга).
Модуль Юнга характеризует жесткость материала (физический
смысл) и равен тангенсу угла наклона участка упругости OB условной диаграммы к
оси абсцисс E = tga
(геометрический смысл). Для основных марок стали E = 2·105 МПа, для
меди E = 1,2·105 МПа, для алюминия E = 0,7·105 МПа.
Коэффициент Пуассона.
Удлинению стержня при растяжении в продольном направлении
сопутствует сжатие в поперечном направлении:
При этом относительная линейная деформация определяется как
,
а относительная поперечная
деформация –
.
За коэффициент Пуассона принимают модуль отношения
поперечной деформации к продольной:
.
Коэффициент Пуассона изменяется от 0 (для пробки) до 0,5
(для резины). Для основных марок стали .
Иногда к характеристикам упругости относят также предел
пропорциональности sпц и
предел упругости sу.
2. Характеристики прочности:
– предел текучести sт,
– предел прочности sв.
Если диаграмма растяжения не имеет площадки текучести, то
определяют условный предел текучести s0,2
– напряжение, соответствующее величине остаточной деформации 0,2%.
Для некоторых материалов величину условного предела
текучести определяют при остаточной деформации 0,5% (s0,5). Используется также понятие условного предела
упругости s0,001 или s0,005 – напряжение,
соответствующее величине остаточной деформации 0,001 или 0,005%.
3. Характеристики пластичности.
Относительное остаточное удлинение при разрыве:
,
где l0 – начальная
длина образца (до испытания), lк – конечная длина образца
(после разрушения).
Относительное остаточное удлинение при разрыве можно
определить непосредственно по диаграмме растяжения, проведя из точки разрыва
линию, параллельную участку упругости, до пересечения с осью абсцисс (отрезок
OL):
Относительное остаточное сужение при разрыве:
,
где A0 и Aш –
площадь поперечного сечения рабочей части соответственно до и после испытания
(в месте образования шейки).
Испытание на сжатие
При испытании на сжатие металлов используются цилиндрические
образцы с отношением высоты к диаметру 1…3:
Для строительных материалов используются кубические образцы
с длиной грани 100 или 150 мм.
Испытание на сжатие используется редко в силу того, что
между плитами испытательной машины и торцевыми поверхностями образца возникает
сила трения, нарушающая одноосное напряженно-деформированное состояние, в
результате чего определяемые характеристики прочности не могут использоваться в
расчетах на прочность. Для устранения силы трения используются следующие
приемы:
- нанесение парафинового слоя на
торцевые поверхности образца; - использование плиты
специальной конструкции.
Угол конуса рассчитывают таким, чтобы расклинивающая сила
компенсировала силу трения.
Пластичные и хрупкие материалы
По величине относительного остаточного удлинения при разрыве
принято различать:
— пластичные материалы – способные получать без
разрушения большие остаточные деформации (d > 10%);
— хрупкие материалы – способные разрушаться без
образования заметных остаточных деформаций (d < 5%).
При испытаниях на растяжение:
1 –
пластичный материал;
2 –
хрупкий материал.
Пластичные и хрупкие материалы отличаются также по характеру
разрушения. Пластичные материалы перед разрывом образуют заметную шейку, а
разрушение происходит под углом примерно 45° к оси растяжения (последнее хорошо
видно на плоских образцах). Хрупкие материалы разрушаются по плоскости,
нормальной оси растяжения, практически без образования шейки.
Сравним результаты испытаний на растяжение и сжатие для
пластичных материалов:
1 –
растяжение;
2 –
сжатие.
Считается, что для пластичных материалов пределы текучести
при растяжении и сжатии равны друг другу: sтр»sтс.
Другой особенностью испытания на сжатие пластичных
материалов является то, что их не удается довести до разрушения, т.к. они
сплющиваются в тонкий диск. По этим причинам пластичные материалы на сжатие
практически не испытывают.
Для хрупких материалов диаграммы испытаний на растяжение и
сжатие подобны друг другу:
1 –
растяжение;
2 –
сжатие.
Хрупкие материалы при испытании на сжатие разрушаются, при
этом оказывается, что предел прочности при растяжении меньше, чем при сжатии: sвр<sвс.
Существует также группа материалов, которые способны при
растяжении воспринимать большие нагрузки, чем при сжатии. Это в основном
волокнистые материалы, а из металлов – магний.
Для волокнистых материалов характерна анизотропия
механических свойств. Например, при испытаниях на сжатие дерева:
1 –
дерево вдоль волокон;
2 –
дерево поперек волокон.
Наклеп. Эффект Баушингера. Гистерезис
Если нагрузить образец до точки G, а затем произвести
разгрузку, то при повторном нагружении диаграмма растяжения пойдет по пути O1GK:
Явление повышения прочностных свойств материала (sпц, sу и sт)
и снижения пластических (d) в
результате предварительного нагружения выше предела текучести называется
наклепом (или деформационным упрочнением). Если после такого нагружения
выдержать образец в течение 100 и более часов, то при этом повышается и предел
прочности. Это явление называется естественным старением.
Наклеп может быть частично или полностью устранен
термической обработкой.
При сжатии нагружение выше предела текучести, так же, как и
при растяжении, вызывает явление наклепа. Однако наклеп, вызванный растяжением,
снижает sпц и sт при сжатии. Это явление
называется эффектом Баушингера.
Если рассмотреть диаграмму растяжения при большом разрешении
по оси деформаций, то станет заметно, что линии разгрузки GO1 и
нагрузки O1G образуют петлю – петлю гистерезиса:
Явление гистерезиса можно определить как необратимую потерю
энергии деформации в результате несовпадения кривой нагружения с кривой
разгрузки. При свободных колебаниях гистерезис является причиной постепенного
затухания колебательного процесса.
При анализе диаграмм растяжения и сжатия явлением
гистерезиса пренебрегают.
Источник