Пластичные материалы при растяжении

Изучение диаграмм растяжения и сжатия, рассмотренных ранее, позволяет провести сравнительный анализ механических свойств пластичных и хрупких материалов.

• 1. Основное различие состоит в том, что хрупкие материалы разрушаются в упругой стадии работы, при малозаметных деформациях, тогда как пластичные перед разрушением претерпевают значительное деформирование и формоизменение. В связи с этим протяженность диаграммы в направлении оси удлинений у пластичного материала значительно больше, чем у хрупкого.
• 2. Протяженность диаграммы, ее форма и значение предела прочности определяют площадь диаграммы. В параграфе 2.6 показано, что площадь диаграммы F— А/ в пределах упругих деформаций выражает работу внешней силы F в тех же пределах. Площадь всей диаграммы характеризует полную работу, затрачиваемую на доведение образца до разрушения. Из сопоставления рис. 2.33, а, б очевидно, что разрушение пластичного материала требует значительно больше работы, чем хрупкого. Следовательно, если конструкция предназначена для восприятия динамических нагрузок, которые, как правило, сопровождаются выделением большого количества кинетической энергии, предпочтение должно быть отдано пластичному материалу. Хрупкие материалы легко и быстро разрушаются от разного рода ударных воздействий вследствие своей недостаточной энергоемкости.

Рис. 2.33

Однако при статическом нагружении те же хрупкие материалы вполне работоспособны и надежны благодаря незначительному деформированию и формоизменению даже при напряжениях, близких к пределу прочности.

• 3. Характерным признаком пластичных материалов является то, что они практически одинаково хорошо работают и на растяжение, и на сжатие. Подавляющее же большинство хрупких материалов сопротивляется растяжению намного хуже, чем сжатию (табл. 2.2). Это обстоятельство в значительной мере ограничивает применение хрупких материалов или требует специальных мер по их усилению при работе на растяжение. Именно поэтому были созданы композиционные материалы, к числу которых в первую очередь относится железобетон (сочетание бетона и стальной арматуры, предназначенной главным образом для восприятия усилий растяжения).
• 4. Хрупкие и пластичные материалы по-разному ведут себя в условиях концентрации напряжений. Это явление кратко охарактеризовано в параграфе 2.2. Если, например, в гладком плоском образце (рис. 2.34, а), сделать отверстие или надрезы с боков (рис. 2.34, б—д), то линии силового потока отклонятся и обтекут возникшее на их пути препятствие. Концентрация этих линий свидетельствует о местном повышении напряжений, которое может оказаться весьма существенным. В подобных случаях, обычно в результате теоретического или экспериментального исследования, устанавливают коэффициент концентрации а — число, указывающее, во сколько раз нужно увеличить номинальное напряжение g0 = N/A, чтобы получить максимальное местное напряжение в ослабленном сечении:

Рис. 2.34

Для определения коэффициента а можно также пользоваться таблицами и графиками, приводимыми в справочной литературе.

Если образец изготовлен из пластичного материала с протяженной площадкой текучести и подвергается статическому нагружению, то при увеличении нагрузки рост максимальных местных напряжений прекращается, как только они достигнут значения предела текучести оу (рис. 2.35, а). Дальнейшее увеличение нагрузки сопровождается ростом напряжений в остальной части сечения, а также расширением пластической зоны, где напряжения постоянны и равны Gy (рис. 2.35, б, в). Таким образом, пластичность способствует выравниванию напряжений. На этом основании принято считать, что при статическом нагружении пластичные материалы

Таблица 2.2

Механические характеристики некоторых строительных материалов

1 В обозначениях марок низколегированной стали первые цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буквы русского алфавита обозначают легирующие компоненты: Г — марганец; Д — медь; Н — никель; С — кремний; X — хром. Цифры после буквы указывают примерное процентное содержание соответствующего компонента в целых единицах (отсутствие цифры означает, что содержание не превышает 1%).

мало чувствительны к концентрации напряжений. Предельной является нагрузка, соответствующая моменту, когда все сечение переходит в пластическое состояние (рис. 2.35, г):

где Л0 — площадь ослабленного сечения.

Рис. 2.35

При ударных и повторно-переменных нагрузках, когда напряжения и деформации быстро меняются во времени, выравнивание напряжений произойти не успевает и отрицательное влияние концентрации напряжений сказывается в полной мере.

У хрупких материалов вследствие ограниченной деформативно- сти неравномерное распределение напряжений вблизи концентраторов сохраняется вплоть до самого разрушения. Очагами разрушения являются трещины, возникающие сразу после того, как максимальные местные напряжения достигают предела прочности ои (рис. 2.36, а). Площадь поперечного сечения при этом уменьшается (рис. 2.36, б), и без дальнейшего увеличения нагрузки напряжения в работоспособной еще части сечения возрастают. Трещины продолжают развиваться (рис. 2.36, в) до тех пор, пока образец не разрушится по всему ослабленному сечению (рис. 2.36, г). Процесс разрушения происходит почти мгновенно, причем номинальные напряжения оказываются значительно меньше, чем при отсутствии концентратора. Следовательно, концентрация напряжений резко снижает прочность хрупких материалов.

В данном случае (см. рис. 2.36) рассмотрена упрощенная схема работы образца при неравномерном распределении напряжений. На самом деле выравниванию эпюры а препятствует не только недостаточная пластичность, но и изменение напряженного состояния в зоне концентрации.

Таким образом, у пластичных и хрупких материалов обнаруживаются резко отличающиеся свойства при работе как на растяжение, так и на сжатие. Тем не менее деление материалов на пластичные и хрупкие является довольно относительным.

В зависимости от условий испытания и работы пластичный материал может проявить склонность к хрупкому разрушению и, наоборот, хрупкий приобрести пластические свойства, например, камень, являющийся при осевом сжатии типично хрупким материалом, в условиях всестороннего сжатия деформируется пластически и даже течет (мрамор, песчаник).

Многие горные породы, находясь под давлением вышележащих слоев, претерпевают пластическое деформирование при сдвигах земной коры. С другой стороны, стальной образец с кольцевой выточкой (рис. 2.37) разрушается без образования шейки в связи с тем, что развитие пластических деформаций затруднено близостью более широкой части стержня.

Существенное влияние на проявление механических свойств материала оказывает продолжительность нагружения и температурное воздействие. При быстром нагружении более резко проявляется склонность к хрупкому разрушению, при длительном — пластичность. Хрупкое стекло, например, способно в условиях длительного нагружения при нормальной температуре (20°С) давать остаточную деформацию.

Рис. 2.37

Диапазон температур, в пределах которого могут реально работать конструкционные материалы, далеко выходит за рамки нормальных условий. Существуют строительные конструкции, материал которых работает при очень высоких температурах (например, конструкции комплекса доменной печи). Имеются конструкции, где, напротив, рабочие температуры оказываются низкими (элементы холодильных установок, резервуары для сжиженных газов).

Механические свойства такого материала, как низкоуглеродистая строительная сталь, при нагревании до температуры 200—250°С изменяются сравнительно мало, но уже при 300—330°С проявляется склонность к хрупкому разрушению. Нагретую до такой температуры сталь не рекомендуется сильно деформировать или подвергать ударным воздействиям. При дальнейшем возрастании температуры это свойство, называемое синеломкостью, пропадает, но начинают быстро уменьшаться значения пределов текучести и прочности. Так, у стали марки СтЗ при t ~ 500°С оу = 140 МПа, ои = 250 МПа; при t ~ 600°С оу = 40 МПа, си = 150 МПа, т.е. предел текучести у —» 0. При t = 600—650°С наступает температурная пластичность, и несущая способность стали практически исчерпывается.

Отрицательные температуры несколько повышают прочность стали, но увеличивают ее хрупкость. При температуре ниже — 10°С пластические свойства начинают заметно ухудшаться, и при t хладноломкостью. Его приходится иметь в виду при проектировании стальных конструкций, предназначенных для эксплуатации в северных и восточных районах страны, отличающихся суровым климатом.

Склонность к хладноломкости определяется строением кристаллической решетки материала и характерна для большинства черных металлов, а также цинковых сплавов. Цветные металлы не обнаруживают хладноломкости ни при каких отрицательных температурах. Подобным образом ведут себя и многие алюминиевые сплавы.

Немалый практический интерес представляет поведение пластичного материала при разгрузке и последующем нагружении. Если стальной образец подвергнуть растяжению до пластического состояния и затем разгрузить, то, как отмечалось в параграфе 2.4, появится остаточная деформация (рис. 2.38, а). При повторном нагружении после некоторого «отдыха» материала (перерыва) сталь опять начинает работать упруго, повторяя прямую разгрузки и следуя затем диаграмме однократного растяжения. При быстро меняющейся нагрузке, т.е. если материал не успевает «отдохнуть», диаграмма повторного нагружения образует так называемую петлю гистерезиса (от греч. hysteresis — запаздывание) вследствие необратимых энергетических потерь (рис. 2.38, б). Предел пропорциональности повышается, но полное удлинение уменьшается в результате необратимой пластической деформации zpt, приобретенной во время первого нагружения. Площадка текучести, если она была преодолена в процессе предыдущего цикла, при повторном нагружении не возникает, т.е. материал становится как бы более жестким. Такое повышение упругих свойств называется наклепом (нагартовкой).

Рис. 2.38

Наклеп при растяжении элементов строительных конструкций следует считать явлением отрицательным вследствие снижения пластических свойств стали. Это особенно хорошо видно на рис. 2.38, в: предварительно растянутый образец, получив большую остаточную деформацию, при вторичном нагружении разрушается почти в пределах упругой области, т.е. как типично хрупкий материал.

При сжатии наклеп полезен, как повышающий твердость[1]и сопротивляемость вибрационным воздействиям. Однако это дорогостоящее мероприятие в строительных конструкциях не используется.

Наклеп может возникнуть при холодной обработке металла в процессе изготовления конструкций. Например, при продавли- вании отверстий под заклепки или болты материал у краев отверстия оказывается наклепанным и обладающим повышенной хрупкостью. В результате при действии динамических или повторнопеременных нагрузок в этих местах возможно появление трещин. По этой причине отверстия целесообразно пробивать на меньший диаметр, а затем рассверливать до проектного размера, удаляя наклепанный материал.

В некоторых случаях, когда уменьшение удлинения не имеет столь большого значения, наклеп используют для повышения прочностных характеристик. Таким способом упрочняют иногда стальную арматуру железобетонных конструкций (при отсутствии стали, требуемой по проекту). Особенно широко он применяется для упрочнения алюминиевых сплавов, главным образом термически не обработанных магналиев (см. табл. 2.2).

К наклепу прибегают и в тех случаях, когда необходимо снизить деформативность элементов. Например, канаты и тросы грузоподъемных механизмов в процессе эксплуатации постепенно вытягиваются и могут не помещаться на барабанах и блоках. Во избежание этого, а также в целях повышения прочностных характеристик проволоку канатов и тросов подвергают предварительной вытяжке за предел текучести. Аналогично поступают с телеграфной и телефонной проволоками для предотвращения или уменьшения провисания под действием собственного веса или гололедной нагрузки.

Итак, рассмотренные явления и многие другие факторы свидетельствуют о том, что один и тот же материал при различных обстоятельствах может проявлять диаметрально противоположные свойства. Следовательно, правильнее говорить не о пластичных и хрупких материалах, а о пластичном и хрупком состояниях (или разрушениях) материала в определенных условиях нагружения. В дальнейшем для простоты изложения будут по-прежнему применяться термины «пластичный» и «хрупкий» материалы, но понимать их следует с учетом сказанного ранее.