Предел текучести на диаграмме растяжения материала
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
Пределом текучести называют напряжение, соответствующее остаточному значению удлинения после снятия нагрузки. Определение этой величины необходимо для выбора металлов, используемых в производстве. Если не учесть рассматриваемый параметр, то это может привести к интенсивному процессу развития деформации в неправильно выбранном материале. Очень важно учитывать пределы текучести при конструировании различных металлических конструкций.
Физическая характеристика
Пределы текучести относятся к показателям прочности. Они представляют собой макропластическую деформацию с довольно малым упрочнением. Физически этот параметр можно представить как характеристику материала, а именно: напряжение, которое отвечает нижнему значению площадки текучести в графике (диаграмме) растяжения материалов. Это же можно представить в виде формулы: σТ=PТ/F0, где PТ означает нагрузку предела текучести, а F0 соответствует первоначальной площади поперечного сечения рассматриваемого образца. ПТ устанавливает так называемую границу между упруго-пластической и упругой зонами деформирования материала. Даже незначительное увеличение напряжения (выше ПТ) вызовет существенную деформацию. Пределы текучести металлов принято измерять в кг/мм2 либо Н/м2. На величину данного параметра оказывают влияние разные факторы, например, режим термообработки, толщина образца, наличие легирующих элементов и примесей, тип, микроструктура и дефекты кристаллической решетки и прочее. Предел текучести значительно меняется при изменении температуры. Рассмотрим пример практического значения данного параметра.
Предел текучести труб
Наиболее наглядным является влияние данной величины при строительстве трубопроводов систем высокого давления. В таких конструкциях должна использоваться специальная сталь, у которой достаточно большие пределы текучести, а также минимальные показатели разрыва между данным параметром и пределом прочности. Чем больше у стали предел, тем, естественно, более высоким должен быть показатель допустимой величины рабочего напряжения. Данный факт оказывает прямое влияние на значение прочности стали, и соответственно, всей конструкции в целом. В связи с тем что параметр допустимой расчетной величины системы напряжений оказывает непосредственное влияние на необходимое значение толщины стен в используемых трубах, то важно максимально точно рассчитывать характеристики прочности стали, которая будет использоваться при изготовлении труб. Одним из наиболее аутентичных методов определения данных параметров является проведение исследования на разрывном образце. Во всех случаях требуется учитывать разницу значений рассматриваемого показателя, с одной стороны, и допустимыми значениями напряжений — с другой.
Кроме того, следует знать, что предел текучести металла всегда устанавливается в результате проведения детальных многоразовых замеров. А вот систему допустимых напряжений в подавляющем большинстве принимают исходя из нормативов или вообще в результате проведенных технических условий, а также опираясь на личный опыт производителя. В системах магистральных трубопроводов весь нормативный сборник описан в СНиП II-45—75. Итак, установка коэффициента запаса прочности — довольно сложная и весьма важная практическая задача. Корректное определение этого параметра всецело зависит от точности рассчитанных величин напряжения, нагрузки, а также предела текучести материала.
При выборе теплоизоляции систем трубопроводов также опираются на данный показатель. Это связано с тем, что эти материалы непосредственно вступают в контакт с металлической основой трубы, и, соответственно, могут принимать участие в электрохимических процессах, пагубно влияющих на состояние трубопровода.
Растяжение материалов
Предел текучести при растяжении определяет, при какой величине напряжение останется неизменным либо снизится, несмотря на удлинение. То есть данный параметр достигнет критической отметки тогда, когда произойдет переход от упругой к пластической области деформации материала. Получается, что предел текучести можно определить путем проведения тестирования стержня.
Расчет ПТ
В сопротивлении материалов пределом текучести является напряжение, при котором начинается развиваться пластическая деформация. Давайте рассмотрим, каким образом производится расчет этой величины. В опытах, проводимых с цилиндрическими образцами, определяют значение нормального напряжения в поперечном сечении в момент возникновения необратимой деформации. Таким же методом в опытах с кручением трубчатых образцов производят определение предела текучести при сдвиге. Для большинства материалов этот показатель определяется формулой σТ=τs√3. В некоторых экземплярах непрерывное удлинение цилиндрического образца на диаграмме зависимости нормальных напряжений от относительного удлинения приводит к обнаружению так называемого зуба текучести, то есть резкого снижения напряжения перед образованием пластической деформации.
Более того, дальнейший рост такого искажения до определенного значения происходит при постоянном напряжении, которое называют физическим ПТ. Если площадка текучести (горизонтальный участок графика) имеет большую протяженность, то такой материал называют идеально-пластическим. Если диаграмма не имеет площадки, то образцы называют упрочняющимися. В таком случае невозможно точно указать значение, при котором возникнет пластическая деформация.
Что такое условный предел текучести?
Давайте разберемся, что же это за параметр. В тех случаях, когда диаграмма напряжений не имеет выраженных площадок, требуется определять условный ПТ. Итак, это значение напряжения, при котором относительная остаточная деформация равна 0,2 процента. Для его вычисления на диаграмме напряжений по оси определения ε необходимо отложить величину, равную 0,2. От этой точки проводится прямая, параллельная начальному участку. В результате точка пересечения прямой с линией диаграммы определяет значение условного предела текучести для конкретного материала. Также данный параметр называют техническим ПТ. Кроме того, отдельно выделяют условные пределы текучести при кручении и изгибе.
Текучесть расплава
Этот параметр определяет способность расплавленных металлов заполнять линейные формы. Текучесть расплава для металлических сплавов и металлов имеет свой термин в металлургической промышленности – жидкотекучесть. По сути, это величина, обратная динамической вязкости. Международная система единиц (СИ) выражает текучесть жидкости в Па-1*с-1.
Временное сопротивление на разрыв
Давайте рассмотрим, каким образом определяется данная характеристика механических свойств. Прочностью называют способность материала при определенных пределах и условиях воспринимать различные воздействия, не разрушаясь. Механические свойства принято определять при помощи условных диаграмм растяжений. Для испытаний следует использовать стандартные образцы. Приборы для испытаний оснащаются устройством, которое записывает диаграмму. Повышение нагрузок сверх нормы вызывает существенную пластическую деформацию в изделии. Предел текучести и временное сопротивление на разрыв соответствуют наибольшей нагрузке, предшествующей полному разрушению образца. У пластичных материалов деформация сосредотачивается на одном участке, где появляется местное сужение поперечного сечения. Его еще называют шейкой. В результате развития множественных скольжений в материале образуется большая плотность дислокаций, а также возникают так называемые зародышевые несплошности. Вследствие их укрупнений в образце возникают поры. Сливаясь между собой, они образуют трещины, которые распространяются в поперечном направлении к оси растяжения. И в критический момент образец полностью разрушается.
Что представляет собой ПТ для арматуры?
Эти изделия являются неотъемлемой составной частью железобетона, предназначаемые, как правило, для сопротивления растягивающим усилиям. Обычно используют стальную арматуру, но бывают и исключения. Эти изделия должны работать совместно с массой бетона на всех без исключения стадиях загрузки данной конструкции, обладать пластичными и прочными свойствами. А также отвечать всем условиям индустриализации данных видов работ. Механические свойства стали, используемой при изготовлении арматуры, установлены соответствующим ГОСТом и техническими условиями. ГОСТ 5781-61 предусматривает четыре класса данных изделий. Первые три предназначены для обычных конструкций, а также ненапрягаемых стержней у предварительно напряженных системах. Предел текучести арматуры в зависимости от класса изделия может достигать 6000 кг/см2. Так, у первого класса этот параметр составляет примерно 500 кг/см2, у второго — 3000 кг/см2, у третьего 4000 кг/см2, а у четвертого — 6000 кг/см2.
Предел текучести сталей
Для сортового проката в базовом исполнении ГОСТ 1050-88 предусматривается следующие значения ПТ: марка 20 — 25 кгс/мм2, марка 30 — 30 кгс/мм2, марка 45 — 36 кгс/мм2. Однако для этих же сталей, изготавливаемых по предварительному согласованию потребителя и изготовителя, пределы текучести могут иметь иные значения (тот же ГОСТ). Так, сталь марки 30 будет иметь ПТ в размере от 30 до 41 кгс/мм2, а марки 45 – в пределах 38-50 кгс/мм2.
Заключение
При проектировании различных стальных конструкций (зданий, мостов и прочих) предел текучести используют в качестве показателя стандарта прочности при проведении расчетов значений допустимых нагрузок соответственно указанному коэффициенту запаса прочности. А вот для сосудов, находящихся под давлением, величину допустимой нагрузки рассчитывают на основе ПТ, а также прочности на разрыв, с учетом спецификации условий эксплуатации.
Источник
При проектировании строительных конструкций, машин и механизмов инженеру необходимо знать значения величин, характеризующих прочностные и деформационные свойства материалов. Их можно получить путем механических испытаний, проводимых в экспериментальных лабораториях на соответствующих испытательных машинах. Таких испытаний проводится много и самых различных – испытания на твердость, сопротивляемость ударным и переменным нагрузкам, противодействие высоким температурам и т.д. Подробное описание всех видов механических испытаний и применяемых при этом машин и приборов приводится в специальной литературе. Мы же рассмотрим лишь испытания металлов на растяжение.
Наибольшую информацию о механических свойствах металлов можно получить из статических испытаний на растяжение. Испытания проводятся в соответствии с ГОСТом.
Для испытания на растяжение применяют образцы специальной формы – цилиндрические (рис.26). Образцы имеют рабочую часть с начальной длиной l0, на которой определяется удлинение, и головки с переходным участком, форма и размеры которых зависят от способов их крепления в захватах машины. Различают длинные образцы с отношением l0/d0 = 10 и короткие — l0/d0=5. Размеры образцов делают стандартными для того, чтобы результаты испытаний, полученные в разных лабораториях, были сравнимы.
Рис. 26
Испытания проводят на разрывных или универсальных машинах. В зависимости от метода приложения нагрузки машины бывают с механическим или гидравлическим приводом. Они обычно выпускаются с вертикальным расположением образца. Передача усилия на образец осуществляется через захваты. Разрывная машина снабжена устройством для автоматической записи в определенном масштабе диаграммы растяжения, т.е. графика зависимости между растягивающей силой Р и удлинением образца Dl. На рис.27 представлена диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали.
В начальной стадии нагружения до некоторой точки А диаграмма растяжения представляет собой наклонную прямую, что указывает на пропорциональность между нагрузкой и деформацией – справедливость закона Гука.
Рис. 27
Нагрузка, при которой эта пропорциональность еще не нарушается, на диаграмме обозначена Рпц и используется для вычисления предела пропорциональности:
sпц=, (47)
где F0 – начальная площадь поперечного сечения образца.
Пределом пропорциональности sпц называется наибольшее напряжение, до которого существует прямо пропорциональная зависимость между нагрузкой и деформацией.
Зона ОА называется зоной упругости. Здесь возникают только упругие, очень незначительные деформации. Данные, характеризующие эту зону, позволяют определить значение модуля упругости Е, как тангенс угла наклона этой прямой.
После достижения предела пропорциональности деформации начинают расти быстрее, чем нагрузка, и диаграмма становится криволинейной. На этом участке в непосредственной близости от точки А находится точка В, соответствующая пределу упругости:
sуп=. (48)
Пределом упругости sуп называется максимальное напряжение, при котором в материале не обнаруживается признаков пластической (остаточной) деформации.
У большинства металлов значения предела пропорциональности и предела упругости незначительно отличаются друг от друга. Поэтому обычно считают, что они практически совпадают.
При дальнейшем нагружении криволинейная часть диаграммы переходит в почти горизонтальный участок СД – площадку текучести. Здесь деформации растут практически без увеличения нагрузки. Нагрузка Рт, соответствующая точке Д, используется при определении физического предела текучести:
sт=. (49)
Пределом текучести sт называется напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.
Предел текучести является одной из основных механических характеристик прочности металлов.
Зона ВД называется зоной общей текучести. В этой зоне значительно развиваются пластические деформации. При этом происходит изменение внутренней структуры металла, что приводит к его упрочнению. Диаграмма после зоны текучести снова становится криволинейной, образец приобретает способность воспринимать возрастающее усилие до значения Рmax – точка Е на диаграмме. Это усилие используется для вычисления временного сопротивления или предела прочности:
sв=. (50)
Пределом прочности называется напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, достигнутой в ходе испытаний.
Зона ДЕ называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца происходит равномерно по всей его длине, первоначальная цилиндрическая форма образца сохраняется, а поперечное сечение изменяется незначительно, но также равномерно.
При максимальном или несколько меньшем усилии на образце в наиболее слабом месте возникает локальное уменьшение поперечного сечения – шейка. Дальнейшая деформация происходит в этой зоне образца. Сечение в середине шейки продолжает быстро уменьшаться, но напряжения в этом сечении все время растут, хотя растягивающее усилие и убывает. Вне области шейки напряжения уменьшаются, и поэтому удлинение остальной части образца не происходит. Наконец, в точке К образец разрушается. Сила, соответствующая точке К, называется разрушающей Рк, а напряжения – истинным сопротивлением разрыву:
Sк=, (51)
где Fк – площадь поперечного сечения в месте разрыва.
Зона ЕК называется зоной местной текучести.
Помимо указанных характеристик прочности определяют характеристики пластичности.
Относительное удлинение после разрыва d (%) – это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальному значению, вычисляемое по формуле:
%. (52)
Заметим, что относительное удлинение после разрыва зависит от отношения расчетной длины образца к его диаметру. С увеличением этого отношения значение d уменьшается, так как зона шейки (зона местной пластической деформации) у длинных образцов занимает относительно меньше места, чем в коротких образцах. Кроме того, относительное удлинение зависит и от места расположения шейки (разрыва) на расчетной длине образца. При возникновении шейки в средней части образца местные деформации в области шейки могут свободно развиваться и относительное удлинение будет больше, чем в случае, когда шейка возникает ближе к головке образца, тогда местные деформации будут стеснены.
Другой характеристикой пластичности является относительное сужение после разрыва y (%), представляющее собой отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца:
%. (53)
Диаграмма растяжения характеризует свойства образца, так как зависит от его размеров. Для оценки механических свойств материала диаграмму растяжения перестраивают в координатах «напряжение-деформация»: все ординаты делят на первоначальную площадь поперечного сечения F0, а все абсциссы – на первоначальную длину рабочей части l0. В результате получаем диаграмму напряжений, которая имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, так как F0 и l0 постоянны. Эта диаграмма является условной, поскольку при ее построении не учитывается изменение значений F0 и l0 в процессе испытания.
Поэтому определенные ранее пределы пропорциональности, текучести и прочности являются условными. Истинные же напряжения в каждый момент нагружения будут больше условных. Заметное отклонение истинных напряжений от условных происходит после предела текучести, так как сужение сечения становится более значительным. Особенно сильно возрастает разница между напряжениями после образования шейки. Диаграмма напряжений, построенная с учетом сужения площади поперечного сечения и местного увеличения деформаций, называется диаграммой истинных напряжений.
Некоторые диаграммы растяжения не имеют ярко выраженной площадки текучести, например, для низколегированных сталей, сплавов алюминия (рис.28). В этих случаях вместо физического предела текучести определяют условный предел текучести s0,2 (точка Д) – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от рабочей длины образца.
Рис. 28
Источник